Ernährung und Verdauungssystem

Physiologie der Absorptionsprozesse


 
© H. Hinghofer-Szalkay

Amylopektin: ἄμυλον = Stärke, πηκτός = geronnen
funikuläre Myelose: funiculus = dünnes Seil (Strang), μυελός = Mark
perniziöse Anämie: pernicies = das Verderben,
αν-αἷμα = ohne Blut
Zöliakie: κοιλία = Bauch, Unterleib




Der obere Dünndarm (Jejunum) ist der wichtigste Resorptionsort für die meisten Nahrungsstoffe. Eisen und Kalzium werden bereits im Duodenum, Gallensäuran und Vitamin B12 erst im terminalen Ileum (dieses dient ansonsten als Resorptionsreserve) aufgenommen. Die Resorptionsoberfläche (als glattes Darmrohr ca. 0,3 m2) wird durch Falten und Zotten, vor allem aber durch Mikrovilli auf insgesamt etwa 200 Quadratmeter vergrößert.

Lipophile Substanzen werden von Zellmembranen direkt resorbiert, wasserlösliche über membranale Transportmechanismen (Permeasen). Kohlenhydrate zum Beispiel werden von Darmepithelzellen mittels Kotransport mit Natrium (SGLT, sodium glucose transporter; GLUT, Glukosetransporter) aufgenmommen. 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 Triglyzeriden, 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 Absorption von Mineralen, Spurenelementen und Vitaminen gibt es z.T. spezifische Mechanismen.


Resorption, Kapazität, Bioverfügbarkeit Resorptionsmechanismen Lipide Kohlenhydrate Protein Wasser & Elektrolyte  Kochsalz Kalium Kalzium Eisen Kobalamin, Folat

     
>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, 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 Bikarbonat
Über den Darm werden Wasser, Energieträger (vor allem Kohlenhydrate, Fette und Proteine) und weitere essentielle (Mineralien, Sputenelemente, Vitamine) sowie nicht-essentielle Stoffe aufgenommen - und natürlich auch fallweise Medikamente (Pharmaka) und Giftstoffe (Toxine).

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. So beträgt die höchstmögliche Aufnahmekapazität für Energieträger einem Energiegehalt von ca. 20 MJ pro Tag - das ist etwa das Doppelte des Energiebedarfs (10 MJ/d) einer erwachsenen Person bei körperlicher Ruhe (und Indifferenztemperatur). 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 komplexde "Kanäle" ausbilden.

Das geschieht entweder transmembranal

  
  entsprechend der Konzentrationsdifferenz des Stoffes (Diffusion); oder

     im Kotransport 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).

Die maximale Kapazität für die Stoffaufnahme über das gastrointestinale System liegt meist um etwa eine Zehnerpotenz 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 über 3000 Gramm Glukose täglich resorbieren (Bedarf ≈300 g/d) - auch hohe Mengen von Süßigkeiten können so vom Dünndarm "verarbeitet" werden

  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.
 
Die meisten Nahrungsstoffe werden im Jejunum resorbiert; Eisen und Kalzium bereits im Zwölffingerdarm (Duodenum); Vitamin B12 und Gallensäuran erst ganz am Ende des Dünndarms (terminales Ileum). Das Ileum stellt für die Resorption der meisten Nährstoffe eine Reserveoberfläche dar.

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!).


 

<Abbildung: Resorptionswege in der Darmschleimhaut

Nach: Goldberg M, Gomez-Orellana I. Challenges for the oral delivery of macromolecules. Nature Rev Drug Discov 2003; 2: 289-95

A: Transzellulär mit Passage der apikalen (luminalen) und basolateralen Membran - über Fettlöslichkeit (lipophil), geringe Molekülgröße (Poren), oder Kanäle / Transportproteine

B: Parazellulär, mit geringer Kapazität - grüne Linie: Tight junctions (zonulae occludentes: Interzelluläre Kontakte)

C: Transzytotisch mit rezeptormediierter Endozytose

D: Aufnahme in M-Zellen der Peyer-Plaques und Weitertransport in den Chylus

  Vergrößerung der Resorptionsoberfläche: s. dort

Darmzotten ziehen sich rhythmisch zusammen und lassen dadurch einerseits den Speisebrei an der Schleimhaut gleiten (zusätzlich zur Peristaltik), andererseits treiben sie den Abtransport nährstoffreicher Lymphe an ("Zottenpumpe": pulsatile Kontraktion glatter Muskelzellketten transportiert Flüssigkeit über die Lymphgefäße ab).

Die insgesamt wirksame Resorptionsoberfläche beträgt etwa 200 m2. Das Zottenepithel hat eine enorme Aufnahmekapazität und kann sich rasch regenerieren - die Epithelschicht wird innerhalb von 2-6 Tagen komplett ausgetauscht: "Mauserungszeit" (der Stuhl besteht z.T. aus abgestorbenen Darmschleimhautzellen).

 
  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.
 

>Abbildung: Resorptionskaskade im Darm
Nach einer Vorlage in shortgutsupport.com


Die funktionell wirksamen resorbierenden Oberflächen sind sehr unterschiedlich (Werte für Erwachsene):
 
Mundhöhle 0,02 m2
Magen 0,1 - 0,3 m2
Dünndarm ≈200 (100-300) m2
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 Kalzium 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.
 



 
    
<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

  Lipide

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.

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 viele Zehnerpotenzen.

Apikale
Resorption, intrazelluläre Aufbereitung und basolateraler Weitertransport: In die Enterozyten gelangen Fettsäuren, Monoglyzeride, Lysophospholipide und Cholesterin wahrscheinlich nicht (nur) durch einfache Diffusion, sondern (auch) durch Vermittlung von Transportern. Nach der Resorption re-esterifizieren die Enterozyten die Lipidkomponenten und ordnen sie z.T. zu Chylomikronen:
 

>Abbildung: Fettresorption
Nach einer Vorlage in  courses.candelalearning.com





     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 Triglyzeriden, 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
  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.




  Kohlenhydrate


<Abbildung: Resorption von Sucrose (oben) und Laktose (unten) in der Dünndarmschleimhaut
Nach einer Vorlage bei Ganongs's Review of Medical Physiology, 24th ed. Lange Basic Science 2012

Die Disaccharide werden zunächst extrazellulär (intraluminal) durch die membranständigen Enzyme Sucrase / Isomaltase (oben) und Laktase (unten)  aufgespalten. Die Aufnahme der Monosaccharide Glukose und Galaktose über Kotransport wird sekundär durch den Natriumgradienten angetrieben (Na-K-Pumpe nicht gezeigt). Fruktose wird über den GLUT5-Mechanismus resorbiert

GLUT5, Glukosetransporter 5 SGLT-1, sodium-glucose cotransporter-1

Resorbiert werden Mono- und Disaccharide schon im Duodenum, weiters Jejunum und - falls Reste noch im Chymus verblieben sind - auch im Ileum.

     Die apikale Zellmembran der Darmepithelzellen nehmen D-Glukose und Galaktose sekundär-aktiv - gegen deren Konzentrationsgradienten - mittels Kotransport mit Natrium (SGLT1 = sodium glucose transporter 1) auf.

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


     L-Fruktose gelangt konzentrationsabhängig durch erleichterte Diffusion mittels GLUT5 in die Epithelzelle

     Die basolaterale Membran transportiert die Monosaccharide mittels GLUT2 weiter Richtung Blutkreislauf.
 

Enzymatische Aktivität und Glukosetransport sind im Jejunum am stärksten ausgeprägt, weniger im Duodenum, noch schwächer im Ileum.
 

>Abbildung: Monosaccharid-Transport über die Darmschleimhaut
Nach: Wright EM, Glucose Galactose Malabsorption. Am J Physiology 1998; 275: G879-82

Die Na-K-ATPase erhält die Kationen-Konzentrationsdifferenzen aufrecht, die für den sekundär-aktiven Transport der Glukose / Galakose mittels SGLT1 notwendig sind. GLUT5 ist der apikale Fruktosetransporter (erleichterte Diffusion). Basolateral werden Glukose und Fruktose über GLUT2 transportiert. Die Schriftgrößen deuten die Konzentrationsverhältnisse an

  Inkretineffekt: Gelangt Glukose 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 Glukosegabe stärker insulinwirksam als dieselbe Menge Glukose i.v.
 
   Über Glukose- und Fruktosetransporter s. dort

   Über Ballaststoffe s. dort



  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.

 

<Abbildung: Transzelluläre Aufnahme von Aminosäuren
Modifiziert nach einer Vorlage in Wellness Health, Lippincott Williams & Wilkins 2013

Die Aufnahme in die Mukosazelle erfolgt mittels Kotransport mit Natrium (sekundär aktiv - Na/K-Pumpe basolateral) über die apikale Membran, die Weitergabe an das Blut mittels Aminosäuretransporter (erleichterte Diffusion) über die basolaterale Membran. Di- und Tripeptide werden über Kotransport mit H+ in die Zelle aufgenommen (nächste Abbildung)

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 H+-Oligopeptid-Kotransporter (die auch im proximalen Tubulus exprimiert werden): Der Mechanismus wird durch einen Protonengradienten angetrieben. (In die Zelle aufgenommenes H+ wird über einen H+/Na+-Austauscher wieder in das Darmlumen retourniert.)

 

>Abbildung: Resorption von Oligopeptiden
Nach: Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

Der H+-Oligopeptid-Kotransporter PepT1 importiert Peptide zusammen mit Wasserstoffionen; diese werden durch einen Na+-H+-Austauscher wieder aus der Zelle entfernt (ebenfalls apikal). Intrazelluläre Peptidasen spalten die Peptide zu Aminosäuren. In der basolateralen Membran wird Natrium in das Interstitium gepumpt, und Aminosäuren gelangen Richtung Blutbahn

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.

In die Mukosazelle aufgenommene Oligopeptide werden dann im Zytoplasma von Di- und Tripeptidasen von intrazellulären Peptidasen zu Aminosäuren hydrolysiert (>Abbildung). 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 (etwa 10% der von den Enterozyten aufgenommenen Aminosäuren brauchen diese 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) - diese machen etwa die gleiche Eiweißmenge aus wie die aus der Nahrung stammende.
 
  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 sezernieren die aufgenommenen Proteine (in Clathrin-Vesikeln) immunkompetenten Zellen, was Abwehrvorgänge triggern kann.



  
  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.

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 Elektrolyttransport im Darm wird durch das autonome System, Mediatoren, Hormone und Immunfaktoren gesteuert. Dabei spielen in den meisten Fällen intrazelluläres cAMP / cGMP, Proteinkinasen und Kalziumionen 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 (Azetylcholin), 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 Mineralkortikoide, Glukokortikoide 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

  Glukokortikoide 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 Kalziumkonzentration



Natrium Chlorid Kalium Kalzium 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 Kolon (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 Bikarbonat - s. unten.)
 

 
   
>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+ und Cl-/HCO3- 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

  Die Natriumaufnahme ist (zusammen mit der Chloridresorption) besonders relevant für die Erhaltung des extrazellulären Volumens (Osmolalität durch NaCl) und der Kreislauffunktion (Blutvolumen!) und erfolgt apikal (Bürstensaum) auf verschiedenen Wegen (>Abbildung):

  In der digestiven Phase in den Zotten (nicht Krypten) nährstoffgekoppelt (Kotransport mit Glukose, Galaktose, diversen Aminosäuren über SLC-Transporter - solute carrier), dem Natrium-Konzentrationsgradienten folgend. Für bestimmte Aminosäuren sind bestimmte Transporter zuständig.

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-Glukose-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 (>Abbildung).

  In der interdigestiven Phase ist ein Parallelmechanismus in Ileum und proximalen Kolon für die Natriumresorption der bedeutendste: Na+/H+- gekoppelt mit Cl-/HCO3--Austausch. Der Mechanismus ist insgesamt elektroneutral.



1. Bikarbonat 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. Bikarbonat (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 Adenylatzyklase, 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 Glukose, Bikarbonat 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.



 

<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: Chloridaustausch gegen Bikarbonat, CA = Karboanhydrase

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

  Die Aufnahme von Chlorid erfolgt ebenfalls im gesamten Darm; mehrere Mechanismen stehen zur Verfügung (<Abbildung):

  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

  Über Austausch mit Bikarbonat über den apikalen Cl-/HCO3--Antiporter. Durch diesen gelangt Bikarbonat in das Darmlumen; ergänzt wird dieser Mechanismus durch die Na+-K+-Pumpe und den H+-Na+-Austauscher in der basolateralen Membran

  Paralleler Austausch mittels Na+/H+- und Cl-/HCO3--Antiport (s. oben) - Chlorid gelangt in die Zelle (apikal) und dann basolateral weiter Richtung Blut
  Der Stuhl ist bikarbonatreich; Durchfälle bedeuten Bikarbonatverlust und können metabolische Azidose bewirken.
 
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--Kotransporters 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--Kotransporter 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 spielt bei zystischer Fibrose eine entscheidende Rolle, daher der Name.
 



>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 (solvent drag), rechts unten aktiv im distalen Kolon (mittels apikaler H/K-Pumpe)

Sekretion: Links unten passiv aus dem Kolon (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)

  Auch Kaliumionen werden im Darm sowohl sezerniert als auch resorbiert; der Darm trägt zur Kalium-Homöostase bei (die Nieren leisten dazu einen wesentlich größeren Beitrag). Täglich nimmt der Darm ≈100 mM Kalium aus der Nahrung auf, der Output mit dem Stuhl sind lediglich ≈10 mM/d - der Rest wird über den Harn ausgeschieden.

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

  Kaliumresorption:

  Im Dünndarm erfolgt K+-Resorption passiv-parazellulär 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 Potenzial (um die 25 mV), das die Kaliumionen anzieht - aber auch

  aktiv: Basolateral arbeiten Na+-K+-ATPase - sie garantiert niedriges intrazelluläres [Na+] - und Na+-K+-2Cl--Kotransporter (der Natrium, Kalium und Chlorid gleichzeitigund elektroneutral durch die Membran treten lässt) zusammen, und Kalium verlässt die Zelle über Kaliumkanäle sowohl in der apikalen als auch der basolateralen Membran.



Kalium verlässt die Zelle über apikale Kaliumkanäle (Sekretion) und auch über basolaterale (K+-Recycling). 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.



 
<Abbildung: Aktive Kalziumaufnahme 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). Kalziumionen gelangen apikal über den Kalziumtransporter TRPV6 in die Schleimhautzelle. In der Zelle wird Ca++ über Calbindin gepuffert 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). 1,25(OH)2-Vitamin D3 (Kalzitriol) regt alle drei Kanalmechanismen an

  Kalzium (Ca++) wird teils passiv-parazellulär (gesamter Dünndarm), teils unter Vitamin D-Wirkung aktiv-transzellulär (im Duodenum) aufgenommen:

  Zuerst durch Ca++-Kanäle der apikalen Bürstensaum-Membran, getrieben von einem elektrochemischen Gradienten;

  dann gebunden an Calbindin (ein tetravalentes Transportprotein für Kalzium, das sich außer in Darm- auch in Gehirn-, Nieren- und Inselzellen findet), was die Konzentration freier Ca++-Ionen in der Zelle niedrig hält;

  und dann über einen Na+-Ca++-Austauscher (Antrieb durch den Natriumgradienten) sowie eine H+-Ca++-Pumpe (Antrieb durch ATP) in der basolateralen Membran.

Vitamin D fördert alle transzellulären Mechanismen des Kalziumtransports, insbesondere die Calbindinsynthese in der Zelle.



  Eisenaufnahme: 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 Duodenalschleimhautzelle
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016

Nahrungseisen leigt im Wesentlichen in zwei Formen vor: Frei (Nichthämeisen) oder an eine Hämgruppe gebunden (Hämeisen). Die Aufnahmemechanismen sind unterschiedlich:

Nichthämeisen 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.

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
Die Resorption von Eisen erfolgt im Duodenum (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. 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 (Eisensalze, Kohlenhydrate).

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.
  Da es keinen Mechanismus zur Regulation der Eisenexkretion gibt, ist die Steuerung der Aufnahme der einzige Angriffspunkt für die Regulation des Eisenstatus im Körper.



 
<Abbildung: Kobalamin-"Handling" im Magen und proximalen Dünndarm
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016
CBL = Kobalamin (Vit. B12), IF = Intrinsic Factor, TCII = Transkpbalamin II

  Vitamin B12 (Kobalamin) liegt in der Nahrung an Eiweiß gebunden vor. Aus dieser Anlagerung wird es im Magen durch das saure Milieu und die Wirkung von Pepsin freigesetzt; die Bindung an den (im Magen entstandenen) Intrinsic factor (IF) erfolgt erst im Duodenum (<Abbildung).

An diesen Faktor komplexiert, wird das Vitamin im unteren Ileum (wo auch Folat zur Aufnahme gelangt) mittels rezeptorvermittelter Endozytose resorbiert .

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).


Auch für die Aufnahme von Folsäure gibt es einen speziellen Mechanismus (Folat-Polyglutamat-Carrier).

Beide Vitamine werden zur Purin- und Pyrimidinsynthese (hauptsächlich Thymidylat) und damit zum Aufbau von DNS benötigt.



  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-Glukose-Lösung führt zu Ersatz verlorengegangenen Flüssigkeitsvolumens und stabilisiert Salz-Wasser-Bilanz und Kreislauffunktion.


>Abbildung: Globale Häufigkeitsverteilung der Laktoseintoleranz
Wikipedia / Verein für Laktoseintoleranz / Die Zeit


  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.

  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 ≈10% (Europäer) bis ≈90% (Asiaten, Afrikaner - >Abbildung).

  Ist die Zuckerresorption über SGLT1 gestört (Glukose-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).


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.