Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

    
Ernährung und Verdauungssystem

 Absorption
 © H. Hinghofer-Szalkay

Amylopektin: ἄμυλον = Stärke, πηκτός = geronnen
 funikuläre Myelose: funiculus = dünnes Seil (Strang), μυελός = Mark
Lieberkühn'sche Krypten: Johann Nathanael Lieberkühn
Mizelle: mica = Klümpchen, kleiner Bissen
perniziöse Anämie: pernicies = das Verderben, αν-αἷμα = ohne Blut
 Zöliakie: κοιλία = Bauch, Unterleib
Der obere Dünndarm (Jejunum) resorbiert die meisten Nahrungsstoffe. Eisen und Calcium werden bereits im Duodenum, Gallensäuren und Vitamin B12 erst im terminalen Ileum (dieses dient ansonsten als Resorptionsreserve) aufgenommen. Die Resorptionsoberfläche des Dünndarms (als glattes Darmrohr ca. 0,3 m2) wird durch Falten und Zotten, vor allem aber durch Mikrovilli auf insgesamt ~200 Quadratmeter vergrößert.

 Lipophile Substanzen werden von Zellmembranen direkt resorbiert, wasserlösliche über Transportmechanismen. Kohlenhydrate zum Beispiel werden von Darmepithelzellen mittels Cotransport mit Natrium (SGLT, sodium glucose transporter; GLUT, Glucosetransporter) aufgenommen. Proteine werden zunächst im Darmlumen enzymatisch aufgespalten und Oligopeptide / Aminosäuren anschließend über spezielle Transportsysteme resorbiert.

Langkettige Fettsäuren, Cholesterin, Lezithin etc binden nach ihrer Aufnahme in die Darmepithelzelle an Trägerproteine, werden zu Triglyceriden, Phospholipiden und Cholesterinestern zurückverwandelt und an Apoproteine gekoppelt. Die so entstandenen Chylomikronen und VLDL-Partikel gelangen schließlich in Extrazellulärraum, Lymphgefäße und venöses Blut. Kurz- bis mittelkettige Fettsäuren und Glyzerin kommen hingegen in den Pfortaderkreislauf und direkt zur Leber.

Auch für die Aufnahme von Mineralen, Spurenelementen und Vitaminen gibt es mehr oder weniger spezifische Transportmechanismen.


Resorption, Kapazität, Bioverfügbarkeit Lipide Kohlenhydrate Aminosäuren und Peptide Wasser & Elektrolyte  Kochsalz Kalium Calcium und Phosphat Eisen Kobalamin, Folat  Steuerung der Ionenresorption Klinik

Praktische Aspekte       Core messages
  
Dünn- und Dickdarm sind sich strukturell und funktionell teils sehr ähnlich, zeigen aber auch Spezialisierungen. Diese finden sich auch im Vergleich zwischen Zotten (villi intestinales, resorbierend und sekretorisch) und Lieberhühn'schen Krypten (glandulae intestinales, hauptsächlich sekretorisch aktiv) im Dünndarm. Flüssigkeit und Elektrolyte werden von der gesamten Länge des Darmes effizient resorbiert, Nahrungsstoffe hingegen praktisch nur im Dünndarm.
 
Resorptionskapazität und Bioverfügbarkeit
 
Über den Darm werden Wasser, Energieträger (vor allem Kohlenhydrate, Fette und Proteine) und weitere essentielle (Mineralien, Spurenelemente, Vitamine) sowie nicht-essentielle Stoffe aufgenommen - und natürlich auch fallweise Medikamente (Pharmaka) und Giftstoffe (Toxine).

Die Resorptionskapazität des Darms (für Kohlenhydrate, Fette, Proteine u.a.) ist so hoch, dass sie praktisch nie überschritten wird. Das zeigt, dass unser gastrointestinales System auf Situationen ausgelegt ist, wo zwischen langen Hungerperioden ab und zu plötzliches Überangebot (Schlagen einer Beute) liegt und zum Anlegen von Reserven maximal genutzt werden muss. Das macht auch verständlich, warum kontinuierliche Verfügbarkeit von Nahrung bei vielen Menschen zur Entwicklung von Übergewicht führt.
 
     
Abbildung: Flüssigkeitsbilanz im Gastrointestinaltrakt
Nach: Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003
Von ca. 8-9 Litern Flüssigkeit, die dem Dünndarm täglich angeboten werden (6-7 Liter davon sind körpereigene Sekrete: Speichel, Magensaft etc), resorbiert er 6-7 l/d. Die restlichen ~2 l/d resorbiert der Dickdarm fast vollständig, mit dem Stuhl gehen nur etwa 0,1 l Wasser pro Tag verloren.
  
Mengenmäßig führende Elektrolyte sind Natrium, Chlorid (Kochsalz wird resorbiert), Kalium (Resorption im Dünndarm, Sekretion im Dickdarm) und Bicarbonat, das  (netto) in den Dünndarm sezerniert wird.
 
Links: Sekretion in das, rechts: Resorption aus dem Darmlumen

Über Volumen- und Elektrolytbilanzen im Darm s. auch dort    
Die Resorption all dieser Stoffe erfolgt über meist sehr genau definierte Mechanismen und Wege. Die für die Aufnahme verfügbaren Zellen sind die Mukosazellen, welche die innere Oberfläche des Darmes (Darmschleimhaut, Mukosa) auskleiden. Dabei können Stoffe über die an das Darmlumen angrenzende apikale (luminale) Membran in die Mukosazelle aufgenommen und über deren basolaterale Membran an das darunterliegende Interstitium und dann in die Blut-oder Lymphbahn weitergereicht werden.

Einige Stoffe (Salze, Wasser) schaffen es auch zwischen den Mukosazellen, durch das dort vorhandene Abdichtungssystem (tight junctions). Diese Vorgänge ähneln übrigens stark denen in den Tubuli der Niere, wo ja auch - zunächst glomerulär filtrierte - Stoffe resorbiert werden.

Aufnahmelimit: Die Transportkapazität dieser Resorptionsprozesse hat jeweils eine Obergrenze, bedingt durch die vorhandene Größe der Schleimhaut und deren molekulare Beförderungslimits. Bei körperlicher Ruhe (und Indifferenztemperatur) beträgt der durchschnittliche Energieumsatz pro Stunde ungefähr 0,4 MJ; bei schwerer körperlicher Arbeit kann sich dieser Wert bis zu verdreifachen. Die maximale Resorptionskapazität des Darms korrespondiert mit den Bedarfswerten.
Dschungeltraining benötigt rund 20 MJ/d (der Aufwand kann durch Resorption von Nahrungsstoffen gerade gedeckt werden), Teilnehmer der Tour de France verbrauchen ~30 MJ/d und begeben sich damit in ein Energiedefizit - die enterale Resorption kommt mit dem Bedarf nicht mit, die Energiereserven des Körpers werden angegriffen.

Das Mindestmaß an Energieverbrauch einer durchschnittlichen erwachsenen Person (liegende Position, Körperruhe, Indifferenztemperatur) beträgt etwa 7,5 MJ/d. Dieser Aufwand ist für das Leben unmittelbar erforderlich und nicht für zusätzliche Leistungen - beispielsweise Muskelarbeit - verfügbar. Die Differenz (12,5 MJ/d) zum Aufnahmelimit (20 MJ/d) ist hingegen "disponierbar" und wird als Controllable Amount of Energy (CAEN) bezeichnet.
 
      Die wichtigsten Energieverbraucher sind die aktive Muskulatur, das Gehirn und das Immunsystem.

Die Aufnahme von Stoffen (Absorption, Resorption) aus dem Darmlumen erfolgt in Abhängigkeit von Größe und Art der Moleküle oder Ionen, aus denen der Stoff besteht.

     So können sich apolare (fettlösliche = lipophile) Stoffe in der Membran der Darmschleimhautzellen leicht lösen und diese durchdringen;

     kleine (bis ~4 nm Durchmesser, entsprechend ≤200 D Molekulargewicht) polare (wasserlösliche = hydrophile) passieren "Poren" der Zellmembran;

     größere polare Moleküle (>4 nm) sind für die transmembranale Passage auf Proteine angewiesen, welche für den Stoff komplexe "Kanäle" ausbilden.

Das geschieht

     entweder transmembranalentsprechend der Konzentrationsdifferenz des Stoffes (Diffusion); oder

     im Cotransport mit einer anderen Substanz, für die ein solches Konzentrationsgefälle besteht (Symport); oder

     im Austausch mit einem solchen Stoff in der Gegenrichtung (Antiport); oder

     direkt energieverbrauchend mittles einer Membran-"Pumpe" (wie die Na-K-induzierte ATPase).

     Substanzen können auch zwischen den Epithelzellen (parazellulär) durch die Schleimhaut gelangen - eine eingeschränkte Option, weil die verfügbare Oberfläche sehr klein ist (höchstens 1% im Vergleich zur verfügbaren Zellmembranfläche) - oder auch

     mit Hilfe spezieller Transportmechanismen der M-Zellen, von wo aus der Weg über die Darmlymphe offensteht.
 

Abbildung: Übersicht der Verdauungs- und Resorptionsmechanismen
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Der Abbau von Nahrungsstoffen kann im Lumen, am Bürstensaum (Microvilli) und in den Mucosaepithelzellen erfolgen

Die maximale Kapazität für die Stoffaufnahme über das gastrointestinale System liegt meist deutlich über den durchschnittlich auftretenden Werten (funktionelle Reserve), zum Beispiel:

      Die Resorptionskapazität für Wasser im Darm einer erwachsenen Person liegt bei etwa 1 Liter pro Stunde - der tägliche Bedarf (Getränke + Wasser in "fester" Nahrung) liegt bei 1-2 l/d, bei erhöhtem Verlust (Schwitzen!) kann sich diese Zahl vervielfachen.

      Der Darm kann ein Mehrfaches des täglichen Glucosebedarfs (~300 g/d) resorbieren, auch hohe Mengen von Süßigkeiten können so vom Dünndarm verarbeitet werden (Anlegen von Fettdepots).

      Für Aminosäuren liegt der Wert bei ~600 g (Bedarf ~60 g/d).

      Bis zu 4000 mg Cholesterin können pro Tag aufgenommen werden (eine an Fleisch, Eiern und Innereien reiche Kost liefert bis zu ~1000 mg/d, der Bedarf liegt bei ~200 mg/d oder weniger).

      Die Resorptionskapazität für Eisen liegt bei etwa 12 mg/d (Bedarf 1-2 mg/d), die Aufnahme ist mehrfach reguliert.

Zu berücksichtigen ist dabei, dass diese Werte unter Laborbedingungen ermittelt wurden und nur unter entsprechenden Begleitbedingungen gelten. In der angewandten Situation kann die gastrointestinale Aufnahmekapazität - bedingt durch Wechselwirkungen, zeitliche Anpassungen etc - auf längere Zeit durchaus überfordert sein, auch wenn die individuellen Labordaten im Einzelfall höhere Resorptionsquoten suggerieren.
   
Die meisten Nahrungsstoffe werden im Jejunum resorbiert; Eisen und Calcium bereits im Zwölffingerdarm (Duodenum); Vitamin B12 und Gallensäuren erst ganz am Ende des Dünndarms (terminales Ileum). Das Ileum stellt für die Resorption der meisten Nährstoffe eine Reserveoberfläche dar.
 

Abbildung: Dünn- und Dickdarm
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Der Dünndarm (links) verfügt über Zotten und Krypten; er resorbiert die meisten Nahrungskomponenten, spätdistal vor allem gallensaure Salze, Magnesium, Vitamin B12 und intrinsic factor. Der Dickdarm (rechts) hat eine durchgehende Epitheloberfläche mit eingestreuten Krypten; er resorbiert vorwiegend Wasser und Elektrolyte.
 
Stamm- bzw. Vorläuferzellen dienen dem Ersatz an der Zottenspitze bzw. im Colonepithel abgeschilferter Zellen (Durchlaufzeit 48-92 Stunden). Andere Zellen sind spezialisiert (Epithelzellen zur Resorption, Becherzellen zur Schleimbildung; endokrine Zellen bilden Verdauungshormone, Paneth-Zellen in der Tiefe der Krypten des Dünndarms wirken antibiotisch)

Für die Resorption von oral verabreichten Wirkstoffen ist das Konzept der Bioverfügbarkeit besonders wichtig: Dies ist der Anteil eines Stoffes (Medikaments), der nach seiner Resorption unverändert im Kreislauf ankommt ('first pass' ist die Passage durch die Leber nach enteraler Resorption - dabei werden zahlreiche Stoffe metabolisiert und in ihrer Wirksamkeit verändert). Die Bioverfügbarkeit wird durch Faktoren wir Darmdurchblutung, Darmmotilität, pH im Magen, und enzymatischen Ab- bzw. Umbau in Darm und Leber beeinflusst.

Diese Faktoren sind individuell verschieden ausgeprägt, daher unterscheidet sich auch die Bioverfügbarkeit einer bestimmten Substanz von Mensch zu Mensch (individualisierte, "personalisierte" Medizin) und von Situation zu Situation (z.B. erkrankungsabhängig).

Zur Resorbierbarkeit müssen Substanzen entweder lipophil sein (sie können dann Zellmembranen leicht durchdringen) oder es müssen eigene Transportmechanismen vorhanden sein. Bei einem Dissoziationssystem bestimmt der pK-Wert die Verteilung dissoziierter und undissoziierter Moleküle (wenn pK = pH, liegt Gleichverteilung vor). Schwache Säuren oder Basen werden partiell resorbiert, starke Säuren - pK<3 - und starke Basen - pK>10 - kaum (deshalb kann z.B. mit Curare erlegte Beute ohne weitere Folgen verzehrt werden - Giftpfeile südamerikanischer Ureinwohner!).
 
  Die Resorption von Nahrungsstoffen erfolgt zum Großteil im Dünndarm (Duodenum, Jejunum, Ileum). Magen (Alkohol, einige Medikamente) und Dickdarm (Flüssigkeit, Elektrolyte, sowie einige Fettsäuren aus bakteriellem Abbau von Kohlenhydraten und Proteinen, die nicht im Dünndarm resorbiert wurden) haben einen geringeren Anteil daran.

Die funktionell wirksamen resorbierenden Oberflächen sind sehr unterschiedlich (Werte für Erwachsene):
 
Mundhöhle 0,02 m2
Magen 0,1 - 0,3 m2
Dünndarm ~200 m2
(100-300)
Dickdarm 0,5 - 1,0 m2
Rectum 0,04 - 0,07 m2
 
Die Resorptionsfläche ist im Dünndarm bei weitem die größte. Je schneller Chymus aus dem Magen in Duodenum und Jejunum weitergelangt, desto rascher können Stoffe zügig resorbiert werden (das gilt auch für Pharmaka - diese werden vor allem im Dünndarm aufgenommen).

Nahrungsaufnahme kann die Magenentleerung verzögern und so auch die Resorption gleichzeitig aufgenommener Arzneimittel verzögern.

Die Wirkung der zahlreichen Einflussfaktoren auf das Tempo des Weitertransports (Magen → Duodenum) sind oft schwer abschätzbar. Erfolgt die Einnahme auf nüchternen Magen, verringert sich diese Unsicherheit, und das Pharmakon gelangt zügig in den Kreislauf (allerdings kann es sein, dass darunter die Verträglichkeit leidet).

Die Passagezeit im Dünndarm hängt von zahlreichen Faktoren ab, als Durchschnittswert können 7 Stunden angenommen werden.
 
   Zum "First-pass-Effekt" s. dort
 
Über die gesamte Strecke des Dünndarms werden Zucker, Aminosäuren, Peptide, Fettsäuren, Salze, Spurenelemente und Vitamine resorbiert. Besonders intensiv ist
  im Duodenum die Aufnahme von Elektrolyten, u.a Calcium und Eisen,

  im Jejunum die Aufnahme von Monosacchariden und Aminosäuren,

  im Ileum die Aufnahme von Gallensalzen, Magnesium und Vitamin B12.

  "Spezialisiert" ist das Jejunum für die Aufnahme von kurzen (Di-, Tri-)Peptiden, Vitamin C und Phosphat;

  das Ileum für die Aufnahme von Vitamin B12 und (aber nicht ausschließlich) Gallensalzen.
 


Lipidresorption
  
Mehr als 90% der Lipide in der Nahrung sind Triglyzeride (TAG: Triacylglycerol); etwa 5% sind Phospholipide (Zellmembranen); dazu kommen Cholesterin und fettlösliche (Pro-) Vitamine. Die Leber produziert pro Tag 10-15 g Phospholipide und 1-2 g Cholesterin, die mit der Galle in den Darm gelangen. Bei der Verdauung (Mizellenbildung etc.) entstandene Bruchstücke (kurz- und langkettige Fettsäuren, Glyzerin, Cholesterin etc) werden im gesamten Dünndarm resorbiert; das Jejunum weist eine besonders hohe Resorptionskapazität auf.

    
Abbildung: Rezirkulation gallensaurer Salze
Nach einer Vorlage bei Barrett KE: Gastrointestinal Physiology. McGraw-Hill 2006
Der Großteil der Gallensäuren / gallensauren Salze kreist zwischen Dünndarm und Leber (enterohepatischer Kreislauf). Ein kleiner Teil des Gallensäurepools befindet sich im Blutkreislauf (unvollständige Aufnahme aus dem Pfortaderkreislauf in die Leber) oder läuft in das Colon über und geht mit dem Stuhl verloren.
 
Im Gleichgewichtszustand entspricht die Neusynthese in der Leber dem fäkalen Verlust


Mehrfach ungesättigte Fettsäuren können z.T. nicht selbst vom Organismus synthetisiert werden, d.h. sie sind essentiell. Das gilt vor allem für Linolsäure (empfohlene Zufuhr 10 g/d) und α-Linolensäure (2 g/d). Aus ihnen werden Eikosanoide gebildet.

Die zu resorbierenden Stoffe müssen die Schleimschicht sowie einen zwischen dieser und dem Bürstensaum mit seiner apikalen Membran liegenden wässrigen Film (unstirred layer: ~40 µm) überwinden. Das gelingt kurz- und mittelkettigen Fettsäuren leicht, größeren hydrophoben Molekülen weniger gut; die "Verpackung" in Mizellen erhöht die Löslichkeit / Verfügbarkeit um 2-3 Zehnerpotenzen.

Resorption: In die Enterozyten gelangen Fettsäuren, Monoglyzeride, Lysophospholipide und Cholesterin wahrscheinlich nicht (nur) durch einfache Diffusion, sondern (auch) durch Vermittlung von Transportern; dies scheint aber von untergeordneter Bedeutung zu sein.


 

Abbildung: Mizellärer Transport von Spaltprodukten der Fettverdauung zur Oberfläche von Enterozyten
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Voraussetzung für eine funktionierende Fettverdauung ist die Emulsion durch Gallensalze. Aus den resultierenden Mizellen können über den Bürstensaum der Enterozyten Monoglyzeride und Fettsäuren aufgenommen werden.

Die Aufnahme erfolgt über (1) nicht-ionische Diffusion, (2) Einbau in die Enterozytenmembran ("Kollision"), und (3) carriervermittelten Transport

Nach der apikalen Aufnahme werden Monoglyzeride und freie Fettsäuren im Enterozyten wieder zu Neutralfett zusammengebaut: Dazu stehen zwei Wege zur Verfügung:
 
      Monoglycerid-Acylierung: Coenzym A-aktivierte Fettsäuren werden mit 2-Monoglyceriden zusammengeführt; Acyltransferasen koppeln die freien Fettsäuren an das Glyzerin und bilden Di- und Triglyceride - vor allem im glatten endoplasmatischen Retikulum. Fettsäurebindende Moleküle (fatty acid-binding proteins FABPs) spielen dabei eine Rolle; sie halten einen Konzentrationsgradienten für langkettige Fettsäuren aufrecht.
 
     Phosphatidsäure-Weg: Triglyceride können auch aus Coenzym A-aktivierten Fettsäuren und α-Glycerophosphat aufgebaut werden. Es entsteht Phosphatidsäure, die zu Diglycerid dephosphoryliert und dann durch Acylierung zu Triglycerid umgewandelt wird. Dieser Pfad ist weniger ergiebig.

Nach der Resorption re-esterifizieren die Enterozyten die Lipidkomponenten und ordnen sie z.T. zu Chylomikronen.




     Langkettige Fettsäuren binden nach ihrer Aufnahme in die Darmepithelzelle (vor allem im proximalen Jejunum) an ein fettsäurebindendes Protein, was ihren Transport ins endoplasmatische Retikulum erleichtert

     Langkettige Fettsäuren und andere Produkte der Lipidverdauung (Cholesterin, Lysolezithin) werden im glatten endoplasmatischen Retikulum zu Triglyceriden, Phospholipiden und Cholesterinestern zurückverwandelt, es entstehen intrazelluläre Fetttröpfchen

     Das rauhe endoplasmatische Retikulum bildet Apoproteine

     Apoproteine werden an das glatte endoplasmatische Retikulum verbracht und mit den Fetttröpfchen integriert

     Die so entstandenen Chylomikronen und VLDL-Partikel gelangen zum Golgi-Apparat (cis-Seite); Apoproteine werden durch Enzyme des Golgi-Apparats glykosyliert

     Vesikel mit Chylomikronen / VLDL sequestrieren sich vom Golgi-Apparat ab (Trans-Seite) und wandern zur basolateralen Membran

     Die Vesikel fusionieren mit der Membran und setzen Chylomikronen und VLDL-Partikel in den Extrazellulärraum frei

     Die Lipide werden durch Wiederveresterung und "Verpackung" in Chylomikronen (postprandial) und VLDL-Tröpfchen (im Nüchternzustand) transportfähig gemacht. Sie gelangen in die Lymphgefäße des Darms (Chylusgefäße) und über den Venenwinkel zu den Organen.
 
Cholesterin wird aus der Nahrung in freier Form resorbiert. Der größere Anteil verlässt die Enterozyten in Form von Fettsäureestern in Chylomikronen. Mit steigendem Cholesterinangebot mit der Nahrung nimmt der Prozentsatz resorbierten Cholesterins ab, der Anteil esterifizierten Cholesterins in der Darmlymphe zu. Chylomikronen bestehen zu 80-90% aus Triglyceriden, 8-9% aus Phospholipiden, 2% Cholesterin, 2% Protein und Spuren Kohlenhydraten (vgl. dort).
 

Abbildung: "Routing" der Lipide
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Enterozyten nehmen Lipide aus Mizellen auf, verestern sie (re-esterification) und bilden Chylomikronen.
 
Langkettige Fettsäuren und 2-Monoglyceride werden im glatten endoplasmatischen Retikulum (SER) zu Triglyceriden resynthetisiert.
 
Cholesterin wird verestert, Lysolezithin zu Lezithin verwandelt.
 
Längerkettige Fettsäuren, Cholesterin und Lezithin werden als Chylomikronen unter Umgehung der Pfortader zu Lymphgefäßen gesteuert.
 
Glycerin, kurz- und mittelkettige Fettsäuren gelangen unverändert durch die Zelle und via portalen Kreislauf direkt zur Leber
  Die verdauten Fette umgehen zunächst die Leber - sie werden über den ductus thoracicus in den systemischen Kreislauf abgegeben und gelangen so direkt zur fettkonsumierenden Peripherie. Die Leber nimmt anschließend die nicht verbrauchten Fette auf und bietet sie wiederum der Peripherie an - zum Teil in anderer Form, z.B. als Phosphoglyzeride für den Aufbau von Zellmembranen
 
     Kurz- und mittelkettige Fettsäuren und Glyzerin werden nicht esterifiziert; sie gelangen (via Epithelzelle) direkt in den Pfortaderkreislauf und zur Leber.

Fettlösliche Vitamine (A, D, E, K) werden zusammen mit anderen Lipiden in analoger Weise resorbiert.

     Gallensalze werden erst im Ileum resorbiert; kurzkettige Fettsäuren auch im Colon.
 
Kohlenhydratresorption
 
Im Mund spaltet Amylase komplexe Kohlenhydrate zu kleineren Bruchstücken (inklusive Monosaccharide). Im Duodenum kommt die Wirkung pankreatischer Amylase dazu. Der Bürstensaum der Enterozyten hydrolysiert kleine Polymere (Maltase, Lactase, Sucrase).

Resorbiert werden Mono- und Disaccharide schon im Duodenum, weiters Jejunum und - falls Reste noch im Chymus verblieben sind - auch im Ileum. Glucose und Galactose können nur über einen Natrium-Cotransporter aufgenommen werden (SGLT1: Sodium-glucose linked transporter), Fructose über erleichterte Diffusion (SGLT5), Pentose-Zucker über einfache Diffusion.
   Zur Resorption von Monosacchariden s. auch dort
 
     Die apikale Zellmembran der Darmepithelzellen nehmen D-Glucose und Galactose sekundär-aktiv - gegen deren Konzentrationsgradienten - mittels Cotransport mit Natrium (SGLT1) auf. SGLT1 kann Fructose nicht befördern, diese gelangt über SGLT5 (via erleichterte Diffusion) in die Epithelzelle. Sowohl Glucose als auch Fructose gelangen basolateral über GLUT2 in das Interstitium weiter ( Abbildung).
 

Abbildung: Abbau und Resorption von Kohlenhydraten zu Monosacchariden
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Links oben: Amylase baut Stärke zu Maltose, Maltotriose und Dextrinen ab.
 
Rechts: Lactose, Maltose, Maltotriose, Sucrose, Dextrine werden extrazellulär durch die membranständigen Enzyme (luminal) Lactase, Glucoamylase und Sucrase / Isomaltase aufgespalten, die Monosaccharide werden durch Transporter (SGLT1, GLUT5) aufgenmommen.
 
Links unten: Die Aufnahme der Monosaccharide Glucose und Galactose über Co-Transport mit Natrium wird sekundär durch den Na-Gradienten angetrieben (basolaterale Na-K-Pumpe). Fructose wird über den GLUT5-Mechanismus resorbiert. GLUT2 transportiert Monosaccharide über die basolaterale Membran

  GLUT, Glucosetransporter    SGLT-1, sodium-glucose cotransporter-1

Mit einem Molekül Glucose wandern zwei Natriumionen; aus dem Membranpotential und dem Na-Gradienten ergibt sich dabei die Möglichkeit, einen fast 2000-fachen Konzentrationsgradienten für Glucose zu überwinden, d.h. die Glucose aus dem Darm so gut wie vollständig aufzunehmen.

     L-Fructose gelangt konzentrationsabhängig durch erleichterte Diffusion mittels des Fructosetransporters GLUT5 in die Epithelzelle. GLUT5 findet sich vor allem in der Dünndarmmukosa, in geringerem Ausmaß auch in anderen Geweben (Muskel-, Fett- und renale Tubuluszellen).
 
GLUT5 ermöglicht Fructoseaufnahme über erleichterte Diffusion
   
     Die basolaterale Membran transportiert Monosaccharide mittels GLUT2 weiter Richtung Blutkreislauf. GLUT2 wird außer von Darmepithelien auch in Leber und Pankreas (ß-Zellen) exprimiert. Es schleust Glucose aus dem Darmlumen über die basolaterale Membran des Enterozyten in Richtung Pfortader.
 
Enzymatische Aktivität und Glucosetransport sind im Jejunum am stärksten ausgeprägt, weniger im Duodenum, noch schwächer im Ileum.
 
     Inkretineffekt: Gelangt Glucose in den oberen Dünndarm, wird aus dessen K-Zellen GIP und aus L-Zellen GLP-1 freigesetzt. Beide regen die Synthese und Sekretion von Insulin an. Deshalb ist orale Glucosegabe stärker insulinwirksam als dieselbe Menge Glucose i.v.
 
   Über Glucose- und Fructosetransporter s. dort
 
   Über Ballaststoffe s. dort
 
Aminosäuren und Peptide
   
Proteine werden im Darmlumen durch Pepsin und Pankreasproteasen gespalten (~70% zu Oligopeptiden, ~30% zu Aminosäuren). Der Bürstensaum der Darmmukosa baut die verbliebenen Oligopeptide mittels Exo-, Endo- und Dipeptidasen zu Aminosäuren, Di- und Tripeptiden ab. Für diese existieren verschiedene transzelluläre Transportsysteme (die aus mehreren Untergruppen bestehen):
     Ein "neutrales" oder "methioninpräferierendes", das alle neutralen Aminosäuren über Enterozytenmembranen transportiert;

     ein "basisches", das kationische Aminosäuren zusammen mit Zystein befördert;

     ein "saures" für Glutamat und Aspartat;

     ein "Iminoglyzinsystem", zuständig für Prolin, Hydroxyprolin und Glyzin, sowie

     ein "β-aminosaures" System (ß-Alanin, Taurin),

die teilweise natriumabhängig, teitlweise natriumunabhängig funktionieren. Auch parazellulär kann es zur Aufnahme von Aminosäuren kommen.

Die Resorptionsleistung für exogenes plus endogenes Protein (bzw. Peptide und Aminosäuren) beträgt bei einem gesunden erwachsenen Menschen etwa 300 Gramm pro Tag.

    Aufnahme von Aminosäuren am apikalen Bürstensaum. Von der Darmschleimhautzelle apikal aufgenommen werden nicht nur Aminosäuren - über die zahlreichen Aminosäuretransporter, die z.T. Na+- (oder H+-, Cl--) abhängig sind (s. weiter unten), sondern auch Di- und Tripeptide - über PepT1, einen H+-Oligopeptid-Cotransporter (den auch proximale Tubuli in der Niere exprimieren): Der Mechanismus wird durch einen Protonengradienten angetrieben. (In die Zelle aufgenommenes H+ wird über einen H+/Na+-Austauscher wieder in das Darmlumen retourniert.)

Dieses Oligopeptid-Transportsystem ist sehr effizient; Oligopeptide werden im Darm besonders rasch aufgenommen, was man als "kinetischen Vorteil" gegenüber Aminosäuren bezeichnet (vielleicht sind Oligopeptide Aminosäuren für Substitutionszwecke vorzuziehen).
 
   Auch einige Antibiotika (z.B. Cephalosporine) werden über dieses System aufgenommen.
Abbildung: Resorption von Oligopeptiden und Aminosäuren im Dünndarm
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Im Darmlumen erfolgt der Abbau durch pankreatische Enzyme wie Trypsin, Chymotrypsin, Carboxypeptidasen und Elastase zu Oligopeptiden sowie Prolin und Alanin. Oligopeptide können von membranständigen und zytoplasmatischen Enzymen des Darmepithels weiter zu Aminosäuren abgebaut werden.
 
Die apikale Membran der Mukosaepithelzellen verfügt über verschiedene Peptidasen sowie über Transporter für Aminosäuren (AA) und Oligopeptide - (AA)2 Dipeptide, (AA)3 Tripeptide etc. Diese werden über H+- (PepT1, H+/Oligopeptid-Symporter) bzw. Na+-abhängige Symporter (für Aminosäuren) in die Zelle aufgenommen.
 
In der basolateralen Membran befinden sich Aminosäurepermeasen zum Weitertransport in Richtung Blut. Diese sind aminosäurespezifisch und natriumunabhängig

Carboxy- und Aminopeptidasen (sowie Di- und Tripeptidasen) bezeichnet man als Exopeptidasen, sie knabbern vom Eiweißmolekül (C- oder N-terminale) Aminosäuren (bzw. Di- oder Tripeptide) an dessen Ende ("außen") ab; andere Peptidasen sind Endopeptidasen, d.h. sie spalten die Proteinmoleküle von "innen", spezifisch an bestimmen Peptidbindungen.

Die gemeinsame Aktivität pankreatischer Proteasen baut Nahrungseiweiß zu ~70% zu Oligopeptiden und zu 30% zu Aminosäuren ab.

Aufnahme von Aminosäuren / Oligopeptiden: Oligopeptide werden z.T. von der Epithelzelle aufgenommen (Natrium-abhängige Aminosäuretransporter), z.T. von membranständigen Peptidasen extrazellulär weiter zu kleineren Peptiden und Aminosäuren abgebaut ( Abbildung). Diese Peptidasen haben hohe Affinität für Peptide, die aus drei bis acht Aminosäuren bestehen (intrazelluläre Peptidasen bevorzugen Di- und Tripeptide).

 In die Mukosazelle aufgenommene Oligopeptide werden dann im Zytoplasma von Di- und Tripeptidasen von intrazellulären Peptidasen zu Aminosäuren hydrolysiert. Nur wenige Dipeptide tauchen schließlich im Pfortaderblut auf - vor allem prolinhältige, weil diese der Hydrolyse am ehesten trotzen und damit die häufigsten Dipeptide im Blutkreislauf sind.

     Weitertransport der Aminosäuren über die basolaterale Membran. Sind die Aminosäuren, Di- und Tripeptide einmal in die Bürstensaumzelle aufgenommen, müssen sie basolateral an Interstitium und Blut weitergegeben werden. Dies erfolgt mittels Aminosäuretransporter, von denen es mindestens fünf verschiedene gibt - drei natriumunabhängige für den "Export" und zwei natriumabhängige für den "Import" von Aminosäuren, die also bidirektional durch die Membran gelangen können (Enterozyten benötigen etwa 10% der aufgenommenen Aminosäuren für ihre eigene Proteinsynthese).

Die Resorption der Aminosäuren im Darm ist sehr effizient; lediglich weniger als 4% des mit der Nahrung angebotenen Stickstoffs wird mit dem Stuhl direkt wieder ausgeschieden. Zu den mit der Nahrung zugeführten Proteinen (~1 g/kg/d) kommen auch endogene (abgeschilfertes Epithel, Immunglobuline, Enzyme, Hormone).

Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht der Aminosäuretransporter in der apikalen und basolateralen Membran der Enterozyten. Diese sind zum Teil gekoppelt, zum Teil unabhängig vom Natriumgradienten:
 

Transportsysteme für Aminosäuren
  
Nach Johnson: Gastrointestinal Physiology, 9th ed., Mosby 2019
System
 Substrat
 Abhängig
von Natrium-
Gradienten?
Bürstensaum (apikale Membran)
Bo
 neutrale L-Aminosäuren
 ja
Bo,t
 neutrale L- und kationische L-Aminosäuren ja
bo,t neutrale L- und kationische Aminosäuren, Zystin
 nein
IMINO
 Iminosäuren
 ja
B
 Taurin, ß-Alanin
 ja
X-AG
 anionische Aminosäuren
 ja
ASC
 neutrale L-Aminosäuren
 ja
N
 Glutamin, Asparagin, Histidin
 ja
PAT
 kleine neutrale Aminosäuren
 nein
Basolaterale Membran
A
 neutrale L-Aminosäuren ja
GLY
 Glyzin
 ja
Y+ kationische Aminosäuren nein
L
 neutrale L-Aminosäuren nein
Y+L
 neutrale L-Aminosäuren, kationische Aminosäuren ja / nein
ASC
 kleine L- und D-Aminosäuren
 nein


Zusätzlich hat man in der apikalen Membran des Bürstensaums protonenabhängige Transporter gefunden, die kurzkettige Aminosäuren (Glyzin, Alanin, Serin, Prolin) zusammen mit H+ in die Zelle transportieren und damit elektrogen sind (das Membranpotential wird reduziert). Diese neue Transporterklasse werden als PAT-Proteine (proton-dependent amino acid transporters) bezeichnet.
 
Direkte Aufnahme von Protein ( Abbildung): Insbesondere in der postnatalen Periode können Darmepithelzellen - Enterozyten sowie M-Zellen - aus der Nahrung (z.B. Muttermilch) direkt Eiweißmoleküle resorbieren, ohne dass diese dabei abgebaut werden. Auf diese Weise kann passive Immunität direkt von der Mutter auf das Baby übertragen werden. Etwa mit 6 Monaten schließt sich dieses Fenster zur Resorption ganzer Eiweißmoleküle ("closure"). Diese Änderung ist hormonell gesteuert; werden Corticosteroide verabreicht, geht die Fähigkeit zur Phagozytose ganzer Proteine früher verloren.
 

Abbildung: Enterale Aufnahme ganzer Proteinmoleküle
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Darmschleimhautzellen können intakte Eiweißmoleküle endozytieren - insbesondere M-Zellen. In Enterozyten werden über 90% des Proteins abgebaut; M-Zellen hingegen können Eiweiß in viel höherem Maße durch die Zelle befördern und an das Blut weitergeben, was entsprechende Immunantworten auslösen kann

Auch bei erwachsenen Personen behält der Darm eine begrenzte Kapazität zur Aufnahme von Eiweiß und Polypeptiden. Proteinmoleküle können endozytiert, durch die Zelle gebracht und auf der basolateralen Seite in das Interstitium abgegeben werden (Transzytose, Abbildung). Enterozyten bauen allerdings den Großteil der Proteine ab (über 90%).

Anders ist das bei den auf Eiweißaufnahme spezialisierten M-Zellen, welche etwa die Hälfte des aufgenommenen Proteins in clathrinbedeckte Vesikel aufnehmen und diese auf der Blutseite an Immunzellen in der lamina propria weiterreichen. Antigene werden auf diese Weise aufbereitet, und Lymphozyten leiten entsprechende Immunantworten ein.
  
H+-Oligopeptid-Symporter resorbieren Di- und Tripeptide - sekundär-aktiv und effizient
   
    Neugeborene resorbieren eine beträchtliche Menge Protein direkt aus dem Kolostrum - mittels Endozytose, also ohne vorherigen Abbau zu Aminosäuren, Di- und Tripeptiden. Dieser Mechanismus erlaubt die Aufnahme von (teils) unveränderten Immunglobulinen aus der Muttermilch direkt in das Blut des Neugeborenen. Enterozyten bringen auf diese Weise etwa jedes zehnte, die auf Proteinaufnahme spezialisierten M-Zellen etwa jedes zweite Eiweißmolekül unbeschadet aus dem Darmlumen in das Interstitium des Babys (jeweils 0,2 µg/h/cm2 Mukosaoberfläche - "direkter Pfad").

Der Mechanismus der Protein-Endozytose bleibt etwa während der ersten 6 Monate postpartal bestehen, nachher wird er hormonell weitgehend "abgestellt". Im späteren Lebensalter ist die direkte Proteinaufnahme nur noch minimal, kann aber bei manchen Erwachsenen dennoch Immunantworten auslösen (Proteinunverträglichkeit, z.B. gegenüber Milcheiweiß). M-Zellen präsentieren immunkompetenten Zellen aufgenommene Proteine, was Abwehrvorgänge triggern kann.
 
Wasser- und Elektrolytresorption
 
Der Dünndarm des Erwachsenen resorbiert im Schnitt täglich 6-8 (maximal 15-20) Liter Wasser pro Tag, der Dickdarm 0,5-2 (maximal 4-5) Liter. Die Funktionsreserve beträgt daher mehr als das Doppelte der normalerweise anfallenden Wasserresorption; mangelnde Aufnahme im Dünndarm kann der Dickdarm zumindest zum Teil kompensieren.
 
Abbildung: Wasserbilanz (Durchschnittswerte für eine erwachsene Person)
Links: Wasser in Getränken ~1,5 l/d; im Essen ~0,75 l/d; Oxidationswasser ~0,25 l/d

Rechts: Harn ~1,5 l/d; Verlust über Atmung und Haut (ohne Schwitzen) ~0,7 l/d; Schweiß ~0,2 l/d (kühle Umgebung); Stuhl ~0,1 l/d (bei maximaler Flüssigkeitsresorption aus dem Dickdarm)

Die Wasserbilanz mit der Umwelt resultiert bei einer erwachsenen Person in etwa 2-3 Liter pro Tag ( Abbildung).
 
     Ständiges Nuckeln an der Wasserflasche ist in der Regel unnötig, es sei denn, es liegen besondere Belastungen vor wie Hitze oder starke Muskelbelastung, die zu erhöhtem Schweißverlust (perspiratio sensibilis) führen.
 
     Über die Flüssigkeitsbilanz des Körpers s. dort
 
Während Nährstoffe praktisch nur im Dünndarm resorbiert werden (außer bei Neugeborenen), kann auch der Dickdarm Elektrolyte und Wasser aufnehmen (und sezernieren). Die Resorptionskapazität für Salze / Elektrolyte hängt vom jeweiligen Transportsystem ab; so kommt es bei salzreicher Kost zu einer täglichen Aufnahme von z.B. 0,6 Mol Natrium, entsprechend 30-40 Gramm Kochsalz.

Der Großteil der Kochsalzresorption erfolgt in den Zotten des Dünndrms sowie über das Oberflächenepithel des Dickdarms. Die Abbildung zeigt einen Überblick über die Mechanismen der Kochsalzresorption im Dünndarm:
 

Abbildung: Kochsalzresorption im Dünndarm
Nach Nach einer Vorlage in Johnson: Gastrointestinal Physiology, 9th ed., Mosby 2019
Apikale Membran: Natrium folgt seinem elektrochemischen Gradienten bei der Passage des Bürstansaums. Es gelangt über vier Wege in den Enterozyten:
 
Über Natriumkanäle,
 
zusammen mit organischen Substraten (S) wie Glucose oder Aminosäuren,
 
im elektroneutralen Cotransport mit Chlorid,
 
im elektroneutralen Austausch gegen Wasserstoffionen.
 
Chlorid wird gegen Bicarbonat ausgetauscht oder gelangt parazellulär in das Interstitium (elektrischer Gradient 2-5 mV).

Basolaterale Membran: Die Na/K-ATPase (hemmbar durch Ouabain, einem Herzglykosid) befördert Natrium in das Interstitium; Chlorid folgt passiv nach. Das elektrische Potenztial über die gesamte Zelle beträgt zwischen +2 und +5 mV (basolaterale bezogen auf luminale Seite), was die parazelluläre Aufnahme von Chlorid unterstützt. Das Membranpotential beträgt etwa -40 mV

Natrium wird transzellulär, Chlorid auch parazellulär aufgenommen und gelangt über das Interstitium zum Blutkreislauf. Kalium wird vorwiegend parazellulär aufgenommen (falls ein entsprechender Konzentrationsgradient vorhanden ist).

Dabei verändern sich die Schwerpunkte des Mechanismus entlang des Darms (vgl. weiter unten): Im Duodenum und Jejunum dominiert die Natriumresorption über Cotransport mit Glucose und Aminosäuren sowie im Austausch gegen H+; im Jejunum überwiegt die Kopplung an die Chloridaufnahme, die wiederum einem elektrischen Gradienten folgt.

Im distalen Ileum und besonders im Dickdarm ist der Austausch von Chlorid gegen Bicarbonat (das aus CO2 entsteht, wozu Carboanhydrase gebraucht wird) bedeutsam (Bicarbonat macht den Stuhl alkalisch).
 
Flüssigkeit wird im Darm sowohl resorbiert als auch sezerniert. Die Resorption von Wasser und Elektrolyten aus dem Darm - an die 9 Liter Flüssigkeit in 24 Stunden - erfolgt sowohl parazellulär als auch transzellulär und folgt hydrostatischen und osmotischen Kräften. Mehrere Kompartimente interagieren dabei: Ein luminales (Darminhalt), ein zelluläres (Enterozyten), ein interstitielles, sowie Blut- und Lymphgefäße (Lymphdrainage aus dem Interstitium) - jeweils mit den dort herrschenden aktuellen Druckwerten. Vor allem im Jejunum ist die parazelluläre Durchlässigkeit hoch, hier tritt Flüssigkeit - bestehend aus Wasser, Elektrolyten sowie kleinen Molekülen von Verdauungsprodukten - leicht vom Darmlumen in Interstitium und Blutbahn über.

Andererseits werden im gesamten Darm Wasser und Elektrolyte sezerniert, vor allem in den Krypten; das erhält die Fließfähigkeit des Chymus. Chlorid tritt - gegen seinen elektrochemischen Gradienten - im Symport mit Kationen (Na/K/2Cl-Cotransporter) über die basolaterale Membran in Enterozyten ein und verlässt die Zelle apikal über Chloridkanäle. Natriumionen wandern indessen parazellulär in das Darmlumen, unterstützt durch das lumen-negative elektrische Potenzial (bis 20 mV). So gelangt Kochsalz in den Darm, und Wasser folgt osmotisch nach.

Gelangt hypertoner Chymus in den Dünndarm, wandert Wasser zunächst aus dem Kreislauf in den Darm (osmotische Wirkung); anschließend kehrt sich die Richtung um, und Wasser wird resorbiert (Kombination aus hydrostatischen, osmotischen und lymphatischen Effekten). Hypertonizität kann osmotisch bedingte Diarrhoe auslösen, z.B. bei Laktasemangel); ist der Chymus hypoton (nach Trinken von hypoosmotischen Flüssigkeiten), wird Wasser resorbiert.
 

Abbildung: Resorptionswege im Dickdarm
Nach Nach einer Vorlage in Johnson: Gastrointestinal Physiology, 9th ed., Mosby 2019
Natrium folgt beim Eintritt über die luminale Membran seinem elektrochemischen Gradienten, auch wird es gegen H+ ausgetauscht. An der basolateralen Membran befördert es die Na/K-ATPase in das Interstitium. Chlorid gelangt im Austausch gegen Bicarbonat in die Zelle und folgt parazellulär dem elektrischen Gradienten (+20 mV)

Im Ileum nimmt die Permeabilität ab, im Colon schließlich werden Wasser und gelöste Stoffe fast nur noch transzelluär (nicht parazellulär) resorbiert.

Dazu gibt es die in der Abbildung gezeigten Transportmechanismen:
 
  Apikal Natrium- und Kaliumkanäle, sowie ein Natrium / Protonen- und ein Bicarbonat / Chlorid- Austauscher;
 
  basolateral die allgengenwärtige Na/K-ATPase, die 3 Natrium- gegen 2 Kaliumionen austauscht und die positive Ladung der Zellbasis verstärkt; sowie Permeasen für Kalium,. Protonen und Chlorid.

Das ist wichtig, weil Darmbakterien osmotisch wirksame Substanzen produzieren, die im Wesentlichen hier verbleiben und der Stuhl hyperosmolar ist; die apikale Membran der Colon-Epithelzellen hält diesen osmotischen Gradienten aufrecht.

Alle Teile des Colons resorbieren Kochsalz - ohne Cotransport mit organischen Substraten. Kalium kann - im Gegensatz zum Dünndarm - transzellulär wandern und vor allem unter Aldosteronwirkung vom Dickdarm sezerniert werden. Aldosteron aktiviert am Bürstensaum neue Natriumkanäle sowie basolateral die Aktivität der Na/K-ATPase.
 
  Die Natriumkonzentration im Stuhlwasser kann unter dem Einfluss von Aldosteron von ~30 auf ~2 mM/l abnehmen, während die Kaliumkonzentration von ~75 auf ~150 mM ansteigt.

Die Rückgewinnung des Natriums erfolgt elektrogen, von oral zu aboral zunehmend; die Ionenkanäle stehen unter dem Einfluss von Aldosteron, das ihre Zahl erhöht und die Natriumresorption verstärkt. Die Sekretion von Bicarbonat erhöht den pH-Wert im Stuhl.
 
Die parazelluläre Aufnahme von Wasser und gelösten Salzen hängt von der Durchlässigkeit der interzellulären Kontakte (tight junctions) ab. Der Dünndarm hat eine hohe parazelluläre Permeabilität; daher kann er keine osmotischen Gradienten aufbauen (die aufgenommene Flüssigkeit ist isoton), Wasser wandert nach seinem Konzentrationsgradienten (Osmose). Der elektrische Widerstand der Darmschleimhaut nimmt colonwärts deutlich zu, er verhält sich umgekehrt proportional zur Permeabilität:
 

Jejunum
 Ileum
 Colon
Durchmesser tight junctions (nm)
 0,8
0,3
 0,2
Elektrischer Widerstand
relativ zu Jejunum (~25 Ω/cm2)
 1
 2
 8
Relative Durchlässigkeit hoch
 mittel
 niedrig
 
Der Elektrolyttransport im Darm wird durch das autonome System, Mediatoren, Hormone und Immunfaktoren gesteuert. Dabei spielen in den meisten Fällen intrazelluläres cAMP / cGMP, Proteinkinasen und Calciumionen eine vermittelnde Rolle (second messenger) - allesamt reduzieren diese die NaCl-Resorption und regen die Sekretion von Anionen (Chlorid) an. Beispiele:

      Abführende Stoffe (Laxantien) und bakterielle Endotoxine fördern die Sekretion von Salz und Wasser

      Parasympathische Aktivität (Acetylcholin), Histamin und VIP regen die Sekretion von K+ und Cl- an

      Immunfaktoren: Unter anderem bilden Makrophagen und Granulozyten Eikosanoide, Mastzellen und Fibroblasten Histamin und Bradykinin. Das Muster von Bildung und Wirkung dieser Stoffe ist komplex; so kann Histamin (z.B. nach Bindung von Antigenen an Rezeptoren an Mastzellen) die Chloridsekretion in den Darm teils über eigene Rezeptoren, teils über Anregung cholinerger Darmnervenzellen steigern
   
Die Resorption von Kochsalz wird hingegen gefördert durch Mineralcorticoide, Glucocorticoide und einige lokale Hormone / Neurotransmitter:

      Angiotensin fördert die Natriumaufnahme - elektroneutral - im Dünndarm, Aldosteron - elektrogen - im Colon (s. weiter unten). Dehydrierung regt die Bildung beider Hormone an

      Glucocorticoide regen die elektroneutrale Kochsalzresorption sowohl im Dünn- als auch im Dickdarm, ohne Auswirkung auf die Kaliumresorption

      Neurotransmitter endokriner Darmschleimhautzellen, wie Somatostatin, Enkephaline und Noradrenalin, stimulieren die Flüssigkeits- und Elektrolytresorption wahrscheinlich über eine Senkung der intrazellulären Calciumkonzentration



Natrium Chlorid Kalium Calcium Eisen Kobalamin
 
Osmose und solvent drag: Der Transport von Wasser ist osmotisch an den aktiven Transport von Elektrolyten gekoppelt; das erfordert den Betrieb von Ionenpumpen. Umgekehrt können gelöste Stoffe - z.B. Kochsalz, Harnstoff - durch "solvent drag" an die Bewegung von Wasser gekoppelt sein (sie werden mit dem Lösungsmittel "mitgerissen") - sowohl para- als auch transzellulär.

Der transepitheliale Widerstand gegenüber Flüssigkeitsbewegung durch die Schleimhaut nimmt vom proximalen Jejunum (hohe Leitfähigkeit) zum distalen Colon (niedrige Leitfähigkeit) kontinuierlich zu.

Heterogenität: Die verschiedenen Darmabschnitte unterscheiden sich funktionell - sowohl

     entlang der Darmachse (segmentale Heterogenität, z.B. Duodenum, proximales Ileum, distales Ileum) als auch
 
     "vertikal" (Villus-Krypten-Heterogenität), schließlich auch
 
     von Zelle zu Zelle (zelluläre Heterogenität, z.B. resorptive, endokrine, schleimproduzierende, Stammzelle..).

So resorbiert der gesunde Dünndarm Kalium, der Dickdarm hingegen sezerniert es. (Beide Abschnitte resorbieren Natrium und Chlorid, und sezernieren Bicarbonat - s. unten.)
  
Natriumresorption
  
Die Natriumaufnahme ist (zusammen mit der Chloridresorption) besonders relevant für die Erhaltung des extrazellulären Volumens (Osmolalität durch NaCl) und der Kreislauffunktion (Blutvolumen!) und dementspechend lebensnotwendig.

Der Großteil des in den Gastrointestinaltrakt gelangten Natriums stammt normalerweise aus körpereigenen Sekreten (Speichel, Magensaft, Bauchspeicheldrüse, Galle, Dünndarmsekret: insgesamt 6-7 l/d, s. oben). Die vom Darm resorbierte Flüssigkeit ist mehr oder weniger isoton: Oral aufgenommene Flüssigkeiten können zwar stark hypo- (Wasser!) oder hyperton sein, werden aber im Darm von körpereigenen Sekreten etwa im Verhältnis 4:1 bis 5:1 verdünnt. Dazu kommt, dass eine auch nur geringe Abweichung der Osmolalität der Körperflüssigkeiten vom Sollwert (wie sie durch eine Tonizitätsabweichung im Verdauungssystem auftreten kann) sofort durch Änderung des Durstempfindens einerseits, der Vasopressinsekretion andererseits beantwortet wird und damit das Trinkverhalten bzw. die Konzentration des Harns beeinflusst (Osmoregulation).

Natrium wird vom Bürstensaum apikal auf verschiedenen Wegen aufgenommen, und die basolateral gelegene Na/K-ATPase liefert den Antrieb für sekundär-aktive Transportprozesse. Vier Mechanismen garantieren die Natriumaufnahme der Darmschleimhaut: Im Dünndarm die Kopplung von Glucose- und Aminosäureresorption (vor allem postprandial), in Duodenum und Jejunum elektroneutraler Na/H-Austausch, im Ileum und proximalen Colon paralleler Na/H- und Cl/HCO3-Austausch sowie im distalen Colon Na-Resorption über epitheliale Natriumkanäle ( Abbildung).
    
Abbildung: Mechanismen der aktiven enteralen Natriumresorption
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Links oben: Na-Resorption in den Dünndarmzotten gekoppelt mit der Resorption eines Nahrungsstoffes; dies ist der wichtigste postprandiale Mechanismus der Natriumaufnahme

Links unten: Elektroneutraler Na/H-Austausch an der apikalen Membran von Dünndarmepithelzellen wird durch hohen pH des Darminhalts stimuliert und ist amiloridhemmbar

Rechts oben: Paralleler Austausch von Na+/H+ (NHE3) und Cl-/HCO3--Antiport (chloride anion exchanger, genannt auch DRA: down-regulated in adenoma) bewirkt "elektroneutrale NaCl-Resorption" und ist der wichtigste interdigestive Mechanismus der Natriumaufnahme

Rechts unten: "Elektrogene Natriumresorption" erfolgt durch epitheliale Natriumkanäle (ENaC) in der apikalen Membran

Dicke der Pfeile (blau) deutet die Intensität der Resorption an.

CA = Carboanhydrase

     Der führende Mechanismus zur Natriumaufnahme im Dünndarm ist die Kopplung an die Glucose- und Aminosäureresorption (Na/Glucose-Cotransport, Na/Galactose-Cotransport, Na/Aminosäuren-Coptransport über SLC-Transporter - solute carrier), dem Natrium-Konzentrationsgradienten folgend über die apikale Membran der Schleimhautzellen der Zotten (nicht der Krypten) aus der Nahrung, also in der digestiven Phase.

Die Energie für den Transport kommt vom Na-Konzentrationsgradienten (durch den Bürstensaum in die Zelle), der von der Na-K-Pumpe (basolateral) aktiv aufrecht erhalten wird. Der Vorgang ladet nebenbei das Lumen negativ auf, was die Resorption von Chlorid unterstützt.

Dieser Mechanismus findet sich im Jejunum, ein wenig auch im Ileum - und beim Neugeborenen auch im Colon, das diese Fähigkeit nach der Geburt aber rasch verliert.
 
      Das funktioniert auch als orale Rehydrationstherapie mit Kochsalz-Glucose-Lösung - da unabhängig von cAMP oder Ca++ - bei Darminfektionen (z.B. mit Coli- oder Cholerabakterien)

     Natrium-Wasserstoffionen-Exchanger (NHE): Durch elektroneutralen Na+/H+-Austausch im Duodenum und Jejunum (es existieren mehrere Isoformen dieses Austauschers. Auch die basolaterale Membran verfügt über Na+/H+-Antiporter, das Natrium wird gewissenmaßen durch die Zelle hindurchgereicht).

Dieser Mechanismus wird durch höheren pH-Wert im Darmlumen stimuliert (niedrige Protonenkonzentration treibt H-Ionen lumenwärts) und ist durch das kaliumsparende Diuretikum Amilorid (in mM-Konzentrationen) hemmbar.
 
     In der interdigestiven Phase ist ein Parallelmechanismus in Ileum und proximalen Colon für die Natriumresorption der bedeutendste: Na+/H+- gekoppelt mit Cl-/HCO3--Austausch. Der Mechanismus ist insgesamt elektroneutral.


1.  Bicarbonat wird unter Mitwirkung der Carboanhydrase von diversen Drüsenzellen gebildet. Durch den Cl-/HCO3--Austauscher wandert es apikal ins Lumen, im Austausch gegen Cl-, das in die Zelle - und basolateral durch Chloridkanäle Richtung Blut weiterfließt.

2.  Bicarbonat (aus Pankreas-, Gallen- und Duodenalsekret) steigert den pH-Wert im Darmlumen (senkt die H+-Konzentration), was die Natriumresorption durch den Na+/H+-Austauscher (H+ ins Lumen, Na+ in die Zelle) antreibt (Na+ wird anschließend basolateral durch die Na-K-Pumpe weiter Richtung Blut befördert).

Diese Art der elektroneutralen Kochsalzresorption wird gesenkt durch cAMP, cGMP und Ca++ (und umgekehrt: Ihre Abnahme steigert die Aufnahme von Na+). Toxine, die z.B. bei "Reisedurchfall" üblicherweise involviert sind, aktivieren die Adenylylcyclase, cAMP nimmt zu und die Salzresorption ab (Salz- und Wasserverlust: Diarrhoe).

     Elektrogen über epitheliale Natriumkanäle (ENaC - diese steigern die Salzaufnahme der Zelle) im distalen Colon ("Titration" des Salzhaushalts). Dieser Weg ist sehr spezifisch und effizient; er ist unabhängig von Glucose, Bicarbonat oder intrazellulären second messengers, ist von mikromolaren Konzentrationen des Diuretikums Amilorid blockierbar und reagiert auf Aldosteron.



Aldosteron regt die Salzaufnahe an, indem es

  die Öffnungswahrscheinlichkeit der Natriumkanäle erhöht - der Effekt tritt innerhalb von Sekunden auf

  aus dem Vesikelpool mehr Natriumkanäle in die apikale Membran verlagert - dieser Effekt braucht mehrere Minuten

  die Synthese neuer Natriumkanäle und Na+-K+-ATPase anregt - das dauert Stunden.

Das Lumen wird durch die Resorption von Na+ negativ geladen, was die Chloridaufnahme erleichtert. 
Basolateral sorgt die Na-K-ATPase für den Weitertransport von Natrium, d.h. Na+ wird im Austausch gegen K+ aus der Zelle gepumpt.
 
Chlorid: Resorption und Sekretion
 
Die Aufnahme von Chlorid erfolgt ebenfalls im gesamten Darm - parazellulär oder transzellulär. Sie ist meist an die Resorption von Natrium gekoppelt (Kochsalzaufnahme; Bedeutung für den Kreislauf s. oben) - durch das an der epithelialen Zellmembran vorliegende Potential oder den intrazellulären pH-Wert, kann aber auch unabhängig von Natrium vonstatten gehen.

Folgende Mechanismen für eine Resorption von Chloridionen stehen zur Verfügung ( Abbildung):
 

Abbildung: Chloridaustausch über die Darmwand
 Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Resorption

Links oben: Chloridresorption spannungsabhängig  parazellulär (durch tight junctions) sowie dem Konzentrationsgradienten folgend über apikale und basolaterale Cl-Kanäle

Links unten: Elektroneutraler Chloridaustausch gegen Bicarbonat, CA = Carboanhydrase

Rechts oben: Elektroneutrale Kochsalzresorption durch parallelen Austausch Na/H und Cl/HCO3. Der intrazelluläre pH-Wert koppelt die Mechanismen

Rechts unten: Elektrogene Sekretion von Chlorid. Der basolaterale Na/K/Cl-Symporter (NKCC1) schleust Chlorid in die Zelle, dieses wird apikal sezerniert (CFTR = Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator). Natrium wandert parazellulär lumenwärts

    Passive spannungsabhängige Aufnahme, getrieben über das (lumen-negative) transepitheliale Potential: Entweder durch Chloridkanäle in der apikalen und basolateralen Membran der Epithelzellen, oder parazellulär über tight junctions

     Elektroneutral über Austausch mit Bicarbonat über den apikalen Cl-/HCO3--Antiporter. Durch diesen gelangt Bicarbonat in das Darmlumen; dieser Mechanismus findet sich in den Zotten des Ileum sowie am Oberflächenepithel des Colon

     In der interdigestiven Periode ("Nüchternzustand") kommt es im Ileum und proximalen Colon zu parallelem Austausch mittels Na+/H+-Austausch (NHE3) und Cl-/HCO3--Antiport (chloride anion exchanger,, auch DRA: down-regulated in adenoma) - Chlorid gelangt apikal in die Zelle und basolateral weiter Richtung Blut.
 
     Stuhl ist bicarbonatreich; Durchfälle bedeuten Bicarbonatverlust und können metabolische Azidose bewirken.
   
Sekretion: Chlorid wird auch im gesamten Darm sezerniert (transzellulär, im Bereich der Krypten). Das findet im Ruhezustand nur in geringem Ausmaß statt, kann aber durch Aztylcholin und andere Neurotransmitter angeregt werden (Sekretagoga: sekretionsfördernde Stoffe). Die Chloridsekretion ist elektrogen (negatives Potential im Lumen) und involviert mehrere Ionenkanäle ( Abbildung):
     Apikal sorgen Chloridkanäle für den Austritt von Cl- über den Bürstensaum ins Darmlumen - Chlorid wird sezerniert. Die intrazelluläre Chloridkonzentration ist dafür ausreichend hoch, dank des Na/K/2Cl-Cotransporters in der basolateralen Membran. Sekretagoga steigern den intrazellulären [cAMP]- oder [Ca++]-Wert, was subapikale Vesikel veranlasst, mit der Bürstensaummembran zu fusionieren und so die Zahl verfügbarer Chloridkanäle zu steigern.

     Basolateral sind drei Transporter beteiligt:

Na+-K+-2Cl--Cotransporter bringen Chlorid in die Zelle, außerdem Natrium- und Kaliumionen

Kalium verlässt die Zelle über Kaliumkanäle,

Natrium über die Na+-K+-ATPase - jeweils in Richtung Blut
 
Natrium folgt dem Chlorid parazellulär, getrieben durch das negative Lumenpotential.

CFTR-Chloridkanäle (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) erleichern den Kationendurchtritt durch Zellmembranen nicht nur im Darm, sondern auch Leber, Pankreas, Lunge, Haut, Urogenitalsystem, Schweißdrüsen. CFTR ist ein System, durch das Chlorid sezerniert werden kann.

CFTR-Kanäle spielen bei zystischer Fibrose eine entscheidende Rolle, daher ihr Name.
 
Kalium: Resorption und Sekretion
  
Kaliumionen werden im Darm sowohl sezerniert als auch resorbiert; der Darm trägt damit zur Kalium-Homöostase bei. Die Nahrung liefert etwa 70-120 mM/d Kalium (empfohlener Richtwert 120 mM/d, entsprechend 4,7g), dazu kommt Kalium in Sekreten (Speichel, Magen, Pankreas, Galle). Mit dem Stuhl gehen nur etwa 10 mM/d verloren (die Kaliumkonzentration im Stuhl beträgt häufig über 100 mM/l, vergleichbar der intrazellulären Kaliumkonzentration). Der resultierende Überschuss (Zufuhr über Nahrung und sezernierte Flüssigkeiten minus Kalium im Stuhl) wird von den Nieren ausgeschieden.

Abbildung: Mechanismen der Resorption und Sekretion von Kalium im Darm
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Resorption: Links oben passiv im Dünndarm (wahrscheinlich über solvent drag), rechts unten aktiv im distalen Colon (mittels apikaler H/K-Pumpe)

Sekretion: Links unten passiv aus dem Colon (primär über tight junctions, angetrieben durch lumen-negatives Potential), rechts oben aktiv im colon ascendens (Zusammenspiel von Na/K-Pumpe und Na/K/Cl-Symporter, Kalium diffundiert durch apikale K-Kanäle)

Jejunum und Ileum resorbieren Kalium, ein wenig auch das distale Colon; im Colon überwiegt die Kaliumsekretion (Mechanismen s. Abbildung).
    Kaliumresorption:

      Im Dünndarm erfolgt K+-Resorption passiv-parazellulär höchstwahrscheinlich durch solvent drag - mit Wasser,

      im distalen Colon gekoppelt mit Natriumtransport: Ein luminaler ATP-verbrauchender Transporter tauscht H+ (lumenwärts) gegen K+ (in die Zelle), das dann die Epithelzelle über die Basolateralmembran verlässt.
 
    Der Dickdarm sezerniert Kalium (vor allem bei Kalium-Überangebot)

      hauptsächlich passiv-parazellulär über lumen-negatives transepitheliales Potential (um die 25 mV), das die Kaliumionen anzieht - aber auch

      aktiv: Basolateral arbeiten Na/K-ATPase und Na/K/2Cl-Cotransporter zusammen, Kalium verlässt die Zelle über Kaliumkanäle sowohl in der apikalen als auch der basolateralen Membran.


Kalium verlässt die Zelle über apikale Kaliumkanäle (Sekretion) und wird basolateral ausgetauscht, wobei die NA/K-ATPase niedriges intrazelluläres [Na+] garantiert und der Na/K/2Cl-Cotransporter Natrium, Kalium und Chlorid gleichzeitig und elektroneutral durch die Membran treten lässt (K+-Recycling, "pump-leak model"). Das Verhältnis der Zahl von apikalen zu basolateralen Kaliumkanälen bestimmt das Ausmaß der Kaliumsekretion im Dickdarm. Im Ruhezustand überwiegen die basolateralen Kaliumkanäle (niedrige Sekretionsrate). Aldosteron erhöht die Aktivität der K+-Permeasen in der apikalen Membran und regt so die Kaliumsekretion an, gleichzeitig fördert es die Aktivität der Na/K-Pumpe.
 
Resorption von Calcium und Phosphat
 
   Etwa 200 mg  Calcium  (Ca++) werden pro Tag vom proximalen Dünndarm resorbiert. Das ist etwa die gleiche Menge, die mit dem Harn ausgeschieden wird. Die Resorption erfolgt teils passiv-parazellulär, teils unter Vitamin D-Wirkung aktiv-transzellulär (nur im Duodenum - angetrieben durch Konzentrations- und elektrische Gradienten):
 
  
Abbildung: Calciumaufnahme im Duodenum
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Der Dünndarm resorbiert Ca++ über zwei Mechanismen:

Passiv-parazellulär (im gesamten Dünndarm), dieser Weg ist nicht vitaminkontrolliert; und
  
aktiv-transzellulär (nur im Zwölffingerdarm). Calciumionen gelangen apikal über den Calciumtransporter TRPV6 in die Schleimhautzelle. Die Synthese des TRPV6 und des Calbindin ist Vitamin-D-abhängig.
  
In der Zelle wird Ca++ über Calbindin gepuffert (die Konzentration an freien Calciumionen in Zytoplasma bleibt niedrig) und kann auch von Organellen wie dem endoplasmatischen Retikulum gespeichert werden.
  
Der Enterozyt exportiert dann Ca++ basolateral über einen Na+/Ca++-Austauscher (NCX1) sowie eine H+/Ca++-Pumpe (ATPase) - die Synthese beider wird gefördert durch Vitamin D3 (Calcitriol)


     Zuerst durch Ca++-Kanäle - Typ TRPV6 - der apikalen Bürstensaum-Membran, getrieben von einem elektrochemischen Gradienten (Vitamin-D-Hormon fördert ihre Expression);
 
     dann gebunden an Calbindin (ein tetravalentes Transportprotein für Calcium, das sich außer in Darm- auch in Gehirn-, Nieren- und Inselzellen findet), was die Konzentration freier Ca++-Ionen in der Zelle niedrig und dadurch den Konzentrationsgradienten aufrecht erhält (Vitamin-D-Hormon fördert seine Expression);
 
     und dann via basolaterale Membran aktiv über einen Na+-Ca++-Austauscher (NCX; Antrieb durch den Natriumgradienten) und vor allem - unter Energieverbrauch - eine H+-Ca++-Pumpe (Antrieb durch ATP: Plasma membrane Ca++ ATPase, PMCA - Vitamin-D-Hormon fördert seine Expression).

Vermehrte Resorption von Calcium steigert den Plasma-[Ca++]; das hemmt die Sekretion von Parathormon aus den Epithelkörperchen (Nebenschilddrüse), was wiederum die Aktivierung des Vitamin D3 aus seiner Vorstufe einbremst. Daraus ergibt sich eine negative Rückkopplung: Vermehrte Resorption von Calcium senkt die Vit-D3-Synthese, was wiederum im Darmepithel die Bildung von Faktoren senkt, die für die Resorption von Calcium benötigt werden.
 
Duodenale Mukosazellen transportieren Ca++ aktiv aus dem Darmlumen in das Interstitium
   
Vitamin D fördert alle transzellulären Mechanismen des Calciumtransports, insbesondere die Calbindinsynthese, in der Duodenal- und Jejunalschleimhautzelle. Nimmt die Ca++-Zufuhr mit der Nahrung ab, steigt - über Vit-D3 - die Effizienz der Ca++-Resorption. Parathormon wirkt indirekt fördernd auf die Calciumresorption, indem es die renale 1α-Hydroxylase und somit die Vitamin D-Synthese anregt.
 
Vitamin D (Calcitriol) regt die Resorption von Calcium und Phosphat im Dünndarm an
   

Abbildung: Phosphataufnahme im Jejunum
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Die apikale Membran der Mucosazellen im Dünndarm nimmt anorganisches Phosphat (Pi) über einen Cotransporter mit Natrium auf (NaPi) - dies ist vermutlich der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Phosphatresorption. Die basolaterale Membran exportiert Phosphat Richtung Kreislauf.
 
Vitamin D3 stimuliert die Proteinsynthese und damit auch die Bildung des Na/Phosphat-Cotransporters

  Phosphat  wird in erster Linie proportional zur angebotenen Menge in der Nahrung resorbiert. Der Niere kommt daher eine bedeutende Rolle für die Kontrolle des Phosphathaushalts zu. Proximale Tubuluszellen resorbieren dort Phosphat über einen Na/Pi-Cotransporter ihrer apikalen Membran. Dieser arbeitet hormonabhängig: Parathormon verringert seine Expression und damit die Phosphataufnahme, bei Phosphatüberschuss steigt die Ausscheidung mit dem Harn.

Hauptsächlich das Jejunum resorbiert Phosphat ( Abbildung) mit Hilfe eines Na+/PO4---Symporters (ungefähr 1 g/d, 70-80% der mit der Nahrung zugeführten Menge, s. dort). In "organischer" Form angebotenes Phosphat (z.B. in Phospholipidem) wird zu "anorganischem" Phosphat (Phosphatsalz) hydrolysiert, um resorbiert werden zu können. Die Resorption ist durch die Kapazität von NPT2 begrenzt, einer Isoform des Na-Pi-Cotransporters in der apikalen Membran der Mukosazellen.

Calcitriol (Vit. D3-Hormon) fördert die Phosphataufnahme ein wenig, es hat nur geringen Einfluss auf die Resorptionsrate.
 
Eisenresorption
 
Die Resorption von Eisen erfolgt im Duodenum und oberen Ileum (bei schweren Mangelzuständen auch im Jejunum). Hier ist Eisen bei einem pH zwischen 5 und 7 (saurer Magensaft!) sowohl als Fe2+ als auch in Hämin löslich. Eisen wechselt zwischen zweiwertiger (Transport durch die Zellmembran) und dreiwertiger Form (an Ferritin, Transferrin u.a. gebunden). Dazu bedarf es der Tätigkeit von Oxidasen (Ferroxidasen: Fe2+ → Fe3+) und Reduktasen (Ferrireduktase: Fe3+ → Fe2+).
 

Abbildung: Resorption von freiem und Hämeisen an einer duodenalen Mukosazelle
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Nahrungseisen liegt im Wesentlichen in zwei Formen vor: Frei (Nichthämeisen) oder an eine Hämgruppe gebunden (Hämeisen). Die Mechanismen der Aufnahme sind unterschiedlich:
 
Nichthämeisen ist die mengenmäßig führende Form von Eisen in der Nahrung, Es wird von DcytB (duodenales Cytochrom B) reduziert und dann von DMT (divalent metal transporter) als Fe2+,
 
Häm mit dem darin enthaltenen als Fe2+ wahrscheinlich über ein Carrier-Protein (HCP: haem carrier protein) aufgenommen. Häm wird in Lysosomen abgebaut und Fe++ freigesetzt. Es wird dann basolateral exportiert (niedrige Eisenspeicher im Körper) oder in Form von Ferritin in der Zelle gespeichert (Eisenspeicher gefüllt).
 
Aufgenommene Wasserstoffionen werden an der apikalen Membran über einen Na/H-Austauscher gegen Natrium wieder exportiert, und Natrium basolateral über die Na/K-ATPase entfernt (nicht gezeigt).
 
Über Mobilferrin gelangt zweiwertiges Eisen an die basolaterale Membran, wo es zuerst durch Ferroportin nach extrazellulär verfrachtet und direkt daneben von Hephaestin zu Fe3+ oxidiert wird.
 
In dieser Form gelangt es ins Blut und wird von Transferrin weiterbefördert
Eisen liegt in der Nahrung in folgenden Formen vor:

    Gut resorbierbar (zu 10-20%; bei Schwangeren bis zu 40%) ist Eisen in organischer Bindung (Hämeisen in Fleisch, Blutprodukten, Ferritin),
 
    weniger gut (zu 1-7%) aus pflanzlichen Quellen (Nicht-Häm-Eisen). Besonders Phosphate behindern die Resorption von Nicht-Häm-Eisen; Fleisch und Ascorbinsäure begünstigen sie.

Die enterale Eisenresorption beträgt im Schnitt 1-2 mg/d, sie kann (bei Eisenmangel) auf maximal 2-5 mg/d gesteigert werden (was eine nur langsame Kompensation von Eisenmangel zulässt, z.B. während und nach Schwangerschaften).

Die Eisenresorption verbessert sich bei gleichzeitiger Anwesenheit von Vitamin C, Zitronensäure, Eiweiß. Zahlreiche pflanzliche Stoffe hemmen hingegen die Eisenresorption, z.B. Oxalsäure (reichlich vorhanden in Spinat, Rhabarber, Schokolade) und Gerbstoffe (Rotwein, schwarzer Tee!).

     In der Nahrung vorhandenes freies Eisen liegt vorwiegend in dreiwertiger (unresorbierbarer) Form vor. Es wird teils im Magen (mit seinem niedrigen pH), teils in Duodenum und oberem Ileum von Ferrireduktase (DcytB - Duodenal cytochrome B) des enterozytären Bürstensaums - noch extrazellulär - in zweiwertige Form gebracht und dann mittels des divalenten Metalltransporters (DMT-1) in die Zelle aufgenommen. Die Expression von DcytB scheint durch mehrere Faktoren beeinflusst zu werden, welche so die Eisenaufnahme regulieren.

      Parallel dazu gibt es einen anderen Aufnahmemechanismus: In Fleisch liegt Eisen an Häm gebunden vor und wird in dieser Form aufgenommen - mittels eines Häm-Rezeptors (HCP: haem carrier protein) im Bürstensaum - und erst im Enterozyten aus dieser Bindung herausgelöst. 
 
Wenn die Eisenspeicher im Körper gefüllt sind und kein weiteres Eisen benötigt wird, verbleibt das aufgenommene Eisen in der Darmschleimhautzelle, als Fe3+ an Ferritin gebunden. Ansonsten wird es über die basolaterale Membran an das Blut weitergegeben. Dazu bedarf es eines Eisentransporters - Ferroportin -, der Fe2+ durch die basolaterale Membran lässt; und einer Ferroxidase, welche das Eisen wieder in dreiwertige Form bringt: Hephästin. So kann Fe3+ an Transferrin im Blut abgegeben und weitertransportiert werden.
 
   Näheres zur Physiologie des Eisens s. dort
 
Eisen kann am effizientesten als Hämeisen (Fleisch, Blut) resorbiert werden
 
     Da es keinen Mechanismus zur Regulation der Eisenexkretion gibt, ist die Steuerung der Aufnahme der einzige Angriffspunkt für die Regulation des Eisenstatus im Körper.
 
Resorption von Vitamin B12
  
Vitamin B12 (Kobalamin) bindet zunächst an Haptocorrin - auch Transcobalamin-1 (TC-1) oder Cobalophilin -, ein Glykoprotein, das die Speicheldrüsen bei Nahrungsaufnahme sezernieren. Haptocorrin ist resistent gegenüber Säure- und Pepsineinfluss und schützt so das Vitamin bei seiner Passage durch den Magen. Im Duodenum wird Haptocorrin durch pankreatische Peptidasen abgebaut.
 
  
Abbildung: Kobalamin-"Handling" im Magen und proximalen Dünndarm
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
Vitamin B12 bindet an Nahrungsprotein, dann an das von Speicheldrüsen (und im Magen?) produzierte Glykoprotein Haptocorrin, anschließend im Dünndarm an (im Magen gebildeten) Intrinsic factor. Die Resorption des B12-IF-Komplexes erfolgt im Ileum

   CBL = Kobalamin (Vit. B12)    IF = Intrinsic Factor    TCII = Transkobalamin II

Kobalamin (Vitamin B12) wird im Mund an Haptocorrin gebunden, ein Glykoprotein, das Speicheldrüsen bei Nahrungsaufnahme sezernieren. Haptocorrin ist resistent gegen die Einwirkung von Pepsin und Salzsäure, und ermöglicht dem gebundenen Vitamin eine unbeschadete Passage durch den Magen.

Im Duodenum wird Haptocorrin durch pankreatische Enzyme abgebaut; an seine Stelle tritt Intrinsic factor (IF), ein Glykoprotein, das im Magen von Belegzellen freigesetzt wird.

Die Bindung von Kobalamin an IF erfolgt erst im Duodenum - nach Abbau des Haptocorrins. Anwesenheit von Ca++- oder Mg++-Ionen sowie ein alkalischer pH-Wert fördern diesen Vorgang. Der entstandene Komplex ist resistent gegenüber den Verdauungsprozessen im Duodenum. An IF komplexiert, wird das Vitamin im unteren Ileum (wo auch Folat zur Aufnahme gelangt) - vermutlich mittels rezeptorvermittelter Endozytose - resorbiert ( Abbildung).

Der Intrinsic factor-Kobalamin-Komplex wird dann lysosomal abgebaut, Kobalamin an Transkobalamin gebunden und dieser Komplex durch Exozytose sekretorischer Vesikel an das Interstitium weitergegeben ( Abbildung).
 

Abbildung: Übersicht über Resorptionsorte und -intensitäten
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021


Auch für die Aufnahme von Folsäure gibt es einen speziellen Mechanismus (Folat-Polyglutamat-Carrier). Die Resorption erfolgt im Duodenum und Jejunum.

Beide Vitamine werden zur Purin- und Pyrimidinsynthese (hauptsächlich Thymidylat) und damit zum Aufbau von DNA benötigt.
 
Steuerung der Ionenresorption
 
Neuronen des Darmnervensystems, endokrine und Immunzellen der lamina propria sezernieren Mediatoren, welche die Resorptions- oder Sekretionstätigkeit anregen. So produzieren
 
    Makrophagen Prostaglandine und Sauerstoffradikale;
 
    Mastzellen Histamin;
 
    neutrophile Granulozyten Eikosanoide und PAF;
 
    Fibroblasten Eikosanoide und Bradykinin.

Zu den Mediatoren, die aus dem Darmnervensystem stammen, zählen Histamin, Serotonin, VIP. Acetylcholin aktiviert u.a. die aktive Chloridresorption.

Das endokrine System wirkt z.B. über die Angiotensin-Aldosteron-Achse auf den Elektrolythaushalt: Diese regt die Natriumresorption an (Angiotensin im Dünndarm, Aldosteron im Colon).

Stoffe, welche die Sekretion anregen, nennt man sekretagog (αγω = antreiben, in Bewegung setzen). Man kann sie nach Typus (Hormone, Neurotransmitter, Zytokine etc.) oder involvierte Second-messenger-Mechanismen klassiizieren (cAMP, cGMP, Calciumionen).
 


     Erkrankungen, bei denen der Bürstensaum defekt ist (z.B. Zöliakie ), sind durch schwere Resorptionsstörungen gekennzeichnet (charakteristischer Stuhl: voluminös, vergoren, faul riechend). Ursache der Zöliakie ist eine immunologische Reaktion auf Klebereiweiß (Weizenproteine wie Gliadin), die in die Schleimhaut eingedrungen sind.

     Bei Mukoviszidose ist die Cl--Sekretion gestört, weil der CFTR-Chloridkanal defekt ist. Der Darminhalt wird eingedickt, es kann Mekoniumileus (mekoniumbedingter Darmverschluss) auftreten.

     Ist die Zuckerresorption über SGLT1 gestört (Glucose-Galaktose-Malabsorption), kann der Kohlenhydratbedarf auch über Fruktose gedeckt werden (ausreichender Gradient: Nüchtern-Fruktosespiegel im Blut <0,3 mM).

     Vitamin B12- bzw. Folat- Mangel führt zu megaloblastärer ("perniziöser" ) Anämie (das Vitamin ist für die Blutbildung notwendig) bzw. funikulärer Myelose (Entmarkungserkrankung, die zu motorischen und sensorischen Defiziten führt).

     Kleinkinder können Laktose in der Milch meist problemlos verwerten. Viele Erwachsene hingegen weisen geringe Laktaseaktivität im Dünndarm auf und vertragen daher Milchzucker in der Ernährung nur schlecht (Laktoseintoleranz). Die Inzidenz liegt zwischen <40% (indo-europäischer Raum, Nordamerika) bis >70% (Asien, Afrika, Südamerika - Abbildung).
 
Abbildung: Globale Häufigkeitsverteilung der Laktoseintoleranz
Nach einer Vorlage bei Wikipedia / Verein für Laktoseintoleranz / Die Zeit
Die Mehrzahl erwachsener Personen nördlich der Äquatorialzone (außer Grönland: Inuit) sowie in Australien / Neuseeland (Einwanderer) verträgt Laktose. In Asien, Afrika, Mittel- und Südamerika beheimatete Menschen tolerieren Laktose (Milch, Milchprodukte) hingegen nur zu einem geringen Prozentsatz

     Orale Rehydratation. Die Resorption von Natrium ist sehr stabil (z.B. SGLT1-vermittelte nährstoffgekoppelte Aufnahme) und erfolgt weitgehend unabhängig von der Einwirkung von second messenger (wie cAMP, Ca++-Ionen), auch im Falle von Infektionen mit enterotoxinbildenden Bakterien. Solche Toxine verursachen Durchfallerkrankungen. Trinken einer Kochsalz-Glucose-Lösung führt zu Ersatz verlorengegangenen Flüssigkeitsvolumens und stabilisiert Salz-Wasser-Bilanz und Kreislauffunktion.

     Kurzdarmsyndrom: Nach weitgehender Entfernung des Dünndarms (z.B. nach Mesenterialinfarkt) ist u.a. die Resorption der Gallensalze gestört; diese werden von Darmbakterien dekonjugiert und regen dann die Sekretion von Salz und Wasser an (die dann nicht ausreichend resorbiert werden). Das regt die Colonpassage an und führt zu chologener Diarrhoe: Durchfälle durch mangelnde Resorption von Gallensäuren (Gallensäurenverlustsyndrom). Übersteigt der Verlust an gallensauren Salzen die Neubildung, resultiert daraus mangelhafte Fettresorption und es treten Fettstühle auf (Steatorrhoe).
 

 
      Die Resorptionskapazität des Darms wird selten überschritten: Der minimale Energiebedarf beträgt ~7,5 MJ/d (Gehirn, Immunsystem, aktive Muskulatur) ~20 MJ/d bei intensivem Training. Die maximale Kapazität liegt meist eine Zehnerpotenz über den Durchschnittswerten: Glucose 3000 g/d (Bedarf ~300 g/d), Aminosäuren ~600 g (Bedarf ~60 g/d), Cholesterin 4000 mg/d (Bedarf ~200 mg/d oder weniger), Eisen 12 mg/d (Bedarf 1-2 mg/d) (funktionelle Reserve)
 
      Hauptort der Resorption ist der Dünndarm (~200 m2): Eisen und Calcium werden bereits im Duodenum, die meisten Nahrungsstoffe im Jejunum vollständig resorbiert; Magnesium, intrinsic factor, Vitamin B12 und Gallensäuren im Ileum (Reserve für die Resorption anderer Nährstoffe). Der Dickdarm (0,5-1 m2) resorbiert Flüssigkeit, Elektrolyte, einige Fettsäuren. Bioverfügbarkeit ist der Anteil eines resorbierten Stoffes, der unverändert in den Kreislauf geallgengenwärtigelangt; sie hängt von Durchblutung, Darmmotilität, pH im Magen, enzymatischem Ab- bzw. Umbau in Darm und Leber ab
 
      Lipide werden aus Mizellen besser resorbiert, Emulsion durch Gallensäurern ist essentiell. Aus dem Mundspeichel zugesetzte Lipasen und deren Aktivierung im sauren Milieu des Magens verseifen die Fette des Nahrungsbreies bereits teilweise. Im oberen Duodenum treten durch die Papilla Vateri Gallensäuren aus der Galle und weitere Lipasen aus dem Pankreas hinzu, womit der Nahrungsbrei fortschreitend emulgiert wird bis zu  fein verteilten Micellen und in dieser Größe von der Mucosa resorbiert werden kann.
 
       Im glatten endoplasmatischen Retikulum der Mukosa entstehen Triglyceride, Phospholipide und Cholesterinester (Fetttröpfchen), im rauhen endoplasmatischen Retikulum Apoproteine; die Komponenten werden zusammengebracht, Chylomikronen und VLDL-Partikel im Golgi-Apparat glykosyliert, anschließend freigesetzt, und gelangen über die Darmlymphe unmittelbar zur fettkonsumierenden Peripherie. Die Leber nimmt nicht verbrauchte Fette auf und verwandelt sie z.T. in Phosphoglyzeride. Fettlösliche Vitamine (A, D, E, K) werden in analoger Weise resorbiert. Aus Linolsäure und α-Linolensäure (essentiell) entstehen Eikosanoide. Mit steigendem Cholesterinangebot mit der Nahrung nimmt der Prozentsatz resorbierten Cholesterins ab
 
      Durch Cotransport mit Natriumionen kann ein mehr als 103-facher Konzentrationsgradient überwunden und Glucose vollständig resorbiert werden. Fruktose gelangt über den Transporter GLUT5 in die Epithelzelle (erleichterte Diffusion). Die basolaterale Membran transportiert Monosaccharide mittels GLUT2 weiter Richtung Blutkreislauf. Gelangt Glucose in den oberen Dünndarm, produziert dieser GIP und GLP-1, beide regen die  Insulinsekretion an (Inkretineffekt: orale Glucose ist stärker insulinwirksam als i.v. verabreichte)
 
      Pepsin und Pankreasproteasen spalten Proteine zu ~70% zu Oligopeptiden, ~30% zu Aminosäuren (luminal); Exo-, Endo- und Dipeptidasen des Mukosa-Bürstensaums Oligopeptide zu Aminosäuren, Di- und Tripeptiden. Oligopeptide werden besonders rasch aufgenommen (kinetischer Vorteil gegenüber Aminosäuren). Für den transzellulären Transport der Aminosäuren stehen ein "neutrales" (neutrale Aminosäuren), "basisches" (kationische Aminosäuren, Zystein), "saures" (Glutamat und Aspartat), "β-aminosaures" (ß-Alanin, Taurin) und ein "Iminoglyzinsystem" (Glyzin, Prolin, Hydroxyprolin) zur Verfügung, die teilweise natriumabhängig funktionieren. Weiters gibt es elektrogene PAT-Proteine im Bürstensaum, die Glyzin, Alanin, Serin und Prolin zusammen mit H+ in die Zelle transportieren. Etwa 10% der aufgenommenen Aminosäuren verwenden Enterozyten für ihre eigene Proteinsynthese. In der basolateralen Membran befinden sich mindestens fünf verschiedene Aminosäurepermeasen. Aminosäuren können auch parazellulär resorbiert werden. Eiweißmoleküle können z.T. unverändert aufgenommen werden, insbesondere von M-Zellen (Clathrin-Caveola-Mechanismus, Transzytose), welche sie an Immunzellen weitergeben. Dieser Mechanismus erlaubt bei Säuglingen die Aufnahme von Immunglobulinen aus der Muttermilch direkt in die Blutbahn
 
      Die Wasserbilanz mit der Umwelt beträgt ~2-3 l/d (Erwachsene). Von ca. 8-9 Litern Flüssigkeit, die täglich in den Dünndarm gelangen, resorbiert dieser 6-7 l; ~2 l resorbiert der Dickdarm, mit dem Stuhl werden ~0,1 l Wasser ausgeschieden. Natrium (Erhaltung des extrazellulären Volumens) gelangt über Natriumkanäle, mit organischen Substraten, im Cotransport mit Chlorid, oder im Austausch gegen Wasserstoffionen in  Enterozyten. Na/K-ATPasen exportieren es über die basolaterale Membran in das Interstitium. Wasser folgt nach, der Dünndarm arbeitet isoosmotisch. Chlorid wird auch - und Kalium vorwiegend - parazellulär aufgenommen (solvent drag). Kalium wird im Darm sowohl sezerniert als auch resorbiert. Angiotensin fördert die Natriumaufnahme elektroneutral im Dünndarm, Aldosteron elektrogen im Colon (Vermehrung der Natriumkanäle); Dehydrierung regt die Bildung beider Hormone an. Distales Ileum und besonders der Dickdarm tauschen Chlorid gegen Bicarbonat aus: Der Stuhl ist bicarbonatreich; Durchfälle bedeuten Bicarbonatverlust (metabolische Azidose). Auch das Colon resorbiert Kochsalz, Kalium kann vor allem unter Aldosteronwirkung sezerniert werden. Die Natriumkonzentration im Stuhlwasser kann unter dem Einfluss von Aldosteron von ~30 auf ~2 mM/l abnehmen, die Kaliumkonzentration von ~75 auf ~150 mM ansteigen
 
      Der proximale Dünndarm resorbiert ~200 mg Ca++ pro Tag - teils passiv-parazellulär (gesamter Dünndarm), teils unter Vitamin D-Wirkung aktiv-transzellulär (Duodenum): Vit.D (Calcitriol) fördert die Expression von Ca++-Kanälen vom Typ TRPV6. Calbindin (Vit-D-abhängig) bindet Ca++, hält [Ca++] im Enterozyten niedrig, den Konzentrationsgradienten zum Extrazellulärraum aufrecht. Na/Ca-Austauscher in der basolateralen Membran sowie Vit-D-abhängige H/Ca-Pumpen bringen Ca++ in das Interstitium. Erhöhtes Serum-[Ca++] hemmt die Sekretion von Parathormon (negative Rückkopplung: Parathormon regt die renale 1α-Hydroxylase an). Vit-D regt auch die Resorption von Phosphat im Dünndarm (Jejunum) an; diese erfolgt über Na/PO4-Symporter
 
      Eisen wird im Duodenum und oberen Ileum resorbiert. Es wechselt zwischen zweiwertiger (Transport durch die Zellmembran) und dreiwertiger Form (an Proteine gebunden): Ferroxidasen: Fe2+ → Fe3+, Ferrireduktasen: Fe3+ → Fe2+. Nahrungseisen liegt vorwiegend frei (Nichthämeisen, meist Fe3+) oder an eine Hämgruppe gebunden vor (Hämeisen). Nichthämeisen wird von duodenalem Cytochrom B reduziert und vom Metalltransporter DMT als Fe2+, Häm als Ganzes aufgenommen (HCP) und lysosomal abgebaut. Im Bedarfsfall gibt die Mukosa Eisen an das Blut ab: Über Mobilferrin gelangt Fe2+ an die basolaterale Membran, wird durch Ferroportin nach extrazellulär verfrachtet und dabei von Hephaestin zu Fe3+ oxidiert (anschließend Transport durch Transferrin). Wird Eisen nicht benötigt, bleibt es ferritingebunden in der Darmschleimhautzelle. Die Eisenexkretion (Blutverlust) ist nicht reguliert, nur die Aufnahme aus der Darmschleimhaut. Die Eisenresorption beträgt ~1-2 mg/d und kann (Eisenmangel) auf maximal 2-5 mg/d gesteigert werden. Die Eisenresorption verbessert sich bei gleichzeitiger Anwesenheit von Vitamin C, Zitronensäure, Eiweiß. Zahlreiche pflanzliche Stoffe hemmen die Eisenresorption
 
      Vitamin B12 (Kobalamin) bindet zunächst an Haptocorrin (Transcobalamin) aus dem Speichel. Haptocorrin ist resistent gegenüber Säure- und Pepsineinfluss und schützt so das Vitamin bei seiner Passage durch den Magen, nach Abbau des Haptocorrins im Dünndarm an (von Belegzellen gebildeten, verdauungsresistenten) Intrinsic factor; dieser Komplex wird im Ileum resorbiert (rezeptorvermittelte Endozytose?), der Intrinsic factor-Kobalamin-Komplex lysosomal gespalten, Kobalamin an Transkobalamin gebunden (Transportform)
 

 

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.