Einführung, Enerige und Wasser

Einführung Nachrungsenergie

• Kohlenhydrate, Lipdie und Proteine haben eine physikalischen und physiologischen Brennwert
  • physikalisch: vollständige Oxidation durch Sauerstoff zu Wasser, Wärme/Licht und CO₂
  • physiologisch: über Oxidation im Körper (Glycolyse, Citratzyklus, Atmungskette) zu Wasser (Urin, Atem), CO₂ und Energie in Form von ATP
• ATP kann für verschiedene Formen der Arbeit verwendet werden
  • mechanische Arbeit (z.B. in Muskeln)
  • elektrische Arbeit (z.B. in Nerven)
  • chemische Arbeit (z.B. bei Proteinsynthese)
• Die biologische Oxidation kann nicht beliebig gesteigert werden, da im Körper nur ein begrenzter Pool an ATP/ADP vorhanden ist. Durch eine Entkopplung der Substratoxidation von der ATP-Synthese entsteht Wärme in den Zellen (die Entkopplung kann auch durch chemische Substanzen hervorgerufen werden, ist aber gefährlich, weil hier die Potentialdifferenz der Mitochondiren zerstört wird)

Konversion der energielieferenden Nährstoffe

• Der Respiratorischer Quotient beschreibt das Verhältnis der Menge des ausgeatmeten CO₂ zum aufgenommenen Sauerstoffs

(1)

\begin{align} RQ = \frac{V(CO_2)}{V(O_2)} \end{align}

• Durch Messung des Quotienten kann ermittelt werden, welcher Nährstoff gerade bevorzugt zur Energiegewinnung verwendet wird.
• Neben Wasser, Energie und CO₂ ensteht bei der Verstoffwechslung von Proteinen noch SO₂, welches über Schwefelsäure im Harn ausgeschieden wird.
• Je weniger Sauerstoff-Atome der Nährstoff an sich mitbringt, desto mehr Sauerstoff ist von außen nötig um diesen zu oxidieren und das führt zu einer Absenkung des respiratorischen Quotienten.

Nährstoff	physiologischer Brennwert pro 100g Nährstoff	RQ
Kohlenhydrate (Stärke)	410 kcal	1 (Glucose)
Fett (Tristearin)	930 kcal	0,7
Eiweiß (Casein)	425 kcal	0,8
Alkohol (Ethanol	710 kcal

• katabol: Energieträger liefern Wasserstoffatome, die oxidert werden und dabei entsteht ATP
• anabol: durch eine Reaktion von Vorstufen (Aminosäure, Fettsäuren, Monosaccharide) mit ATP wird Energie verbraucht und somit Körpersubstanz aufgebaut oder Arbeit verrichtet

Grundlagen Wasserhaushalt

• Durch Durst oder erhöhte Wasserausscheidung kann der Körper seine Wasserbilanz regeln (2,5 l/d Abfuhr und 2,5 l/d Zufuhr)
• Kleinkinder haben den höchsten Wasserbedarf (3-4 mal wie Erwachsene), während bei Erwachsenen der Bedarf auch von der Umgebungstemperatur abhängt (22-38 ml/kg)
• Die Nieren können 200 l Blut am Tag filtrieren
• Der Darm hat eine enorme Kapazität zur Flüssigkeitsaufnahme und verliert nur 100 ml durch den Stuhl
• Diabetis insibitus: Aquaporine in Nierenepithelzellen sind defekt und damit ist die Rücksorption von Wasser gestört. Bei gesunden Menschen die eine sehr feine Einstellung der Rücksorption im Darm möglich
• Der Blutdruck wird hauptsächlich durch die Wassereluation geregelt.
• Wasser machte einen sehr großen Anteil des Körpergewichts beim Menschen aus
  • Neugeborenes 70%
  • Kind 60%
  • Erwachsener 70%

Körperwasser gesamt 0,6 l pro kg
Extrazelluläres Wasser
0,015 l	transzelluläres Wasser
0,045 l	Plasmawasser
0,190 l	Interstitiumwasser (Organe)
Intrazelluläres Wasser
0,350 l	Zellwasser

• Die Zellmembranen sind generell dicht für Wasser und Ionen
• Die Osmolarität von Blut beträgt 330 mosmol/l (Na²⁺^: 140 mosmol/l und Cl^-: 140 mosmol/l)

Kohlenhydrate, Verdauung, Stoffwechsel

Kohlenhydrate

• Monosaccharide
  D-Glucose, D-Fructose, D-Galactose
• Disaccharide
  Saccharose, Lactose, Maltose
• Polysaccharide
  Amylose, Amylopektin, Glycogen, Inulin
• Mit Ausnahme von Inulin können alle Kohlenhydrate von Körper direkt verwertet werden ohne das die Darmflora diese umwandeln muss.
• Technische Saccharide
  Dextrin, Invertzucker, Glucosesirup, isomerisierter Glucosesirup

Enzyme	Aktivität (μmol/min/mg protein)	Bemerkung
Glucoamylase	37 +- 8	Spaltung von Grenzdextrinen
Maltase	212 +- 32	höchste Aktivität, weil am meisten Substrat
Saccharase	55 +- 8
Lactase	20 +-4	Mutantenbildung vom Nichtasiaten

Glucoseaufnahme im Darm

• Durch die α-Amylase wird Amylose, Amylopectin, Glycogen in α-Dextrine, Malto-oligosaccharide und Maltose gespalten. Die Amylase ist bereits im Speichel aktiv, dient aber dort nicht der Verdauung, sondern der Verflüssigung der Nahrung, damit sie geschluckt werden kann.
• Durch membrangebundene Di- und Oligosaccharid-Hydrolasen entsteht Glucose aus verschiedensten Zuckern.
• Diese monomeren Zucker Glucose, Galactose, Fructose werden durch membrangebunde Transportproteine in die Epithelzellen aufgenommen
  • SGLT1 (Sodium dependent Glucose Transporter) nimmt als Symporter Glucose und Na²⁺ vom Darmlumen auf.
  • Die Natrium-Ionen werden sofort über einen Antiporter im Austausch mit Kalium-Ionen aus der Zelle transportiert, um diesen elektrochemischen Natriumgradienten (Lumen 140 mosmol/l; Epithelzellen 40 mosmol/l) aufrecht zu erhalten.
  • Glut5 transporitert Fructose ins Zellinnere
  • Glut2 kann je nach Gradienten Glucose, Fructose, Galactose von den Zellen ins Blut oder anders herum transportieren.
• Im Verdauungstrakt sitzen Zellen die gastrointestinale Hormone (Sekretin, Cholecystokinin CCK) ausschütten, wenn Nährstoffe registriert wurden. Diese Hormone regen wiederum den Pankreas an Sekrete auszuschütten
  • endokrin: Insulin (ß-Zellen), Glucagon (α-Zellen) ins Blut
  • exokrin: Wasser, Salze, Enzyme ins Darmlumen
• Der Magen hat eine Reservoir- und Dosagefunktion, damit es immer eine gleichmäßige Entleerung in den Darm gibt.
• M-Zellen (microfold-Zellen) sind durchlässig für fast alle Stoffe (intakte Proteine, Plastik, Allergene, intakte DNA). Sie spielen aber eine wichtige Rolle im Immunsystem

Ballaststoffe

• Bei der Verdauung von Nahrung entstehen immer wieder unlösliche Produkte, die immer schwieriger aufzuschließen sind und vom Körper nicht mehr ohne weiteres abgebaut werden können
• Diese Ballaststoffe vergrößern das Darmvolumen und haben damit eine abführende Wirkung
• Pro Tag sind 30g Ballaststoffe empfohlen, wobei eine normale Ernährung diesen Wert noch unterschreitet.
• Monomere in Pectinen: Galacturonsäure, N-Acetyl-Galactosamin, methylierte Galacturonsäure, Ribose, Carrageenan, Chitin, Lignin)

Nahrung -> Zellinhalt, Pectine + Zellwand -> Hemicellulose, Gummi, Mucillagene + Lignocellulose -> Cellulose + Lignin -> CO₂, H₂O + Mineralien, Rest

Bakterielle Fermentation im Dickdarm

• Substrate
  • Saccharide: Fructooligosaccharide, Galactooligosaccharide
  • Proteine: Nahrungsprotein, endogenes Protein aus Sekret, Mucus und Glycoproteine, abgestoßene Epithelzellen, nicht-Protein-Verbindungen (Harnstoff)
• In der Säuglingsernährung sind Galactooligosaccharide wichtige Präbiotika zum Aufbau einer Darmflora.
• Durch Umsetzung von Lactose mit ß-Galactosidase kann es erzeugt werden.
• Es findet sich in menschlicher Milch (ca. 8 g/l), aber nicht in Kuhmilch (Erfordert Zusatz bei Flaschenaufzucht)
• Primäre Fermentationsprodukte sind Lactat,
  • Butyrat, (primäres Energiesubstrat, Nutzung in Darmzelle, fördert Proliferation und Differenzierung, Schutz der Darmschleimhaut)
  • Propionat (als Ketonkörper Energiesubstrat in Leber, Fettgewebe und Lymphocyten nutzbar)
  • Acetat. (Nutzung im peripheren Gewebe über ß-Oxidation)
  • Gleichzeitig entsteht Wasserstoff-Gas welches über den Darm entweicht.

Kommunikation im Intermediärstoffwechsel

• Durch Messung von luminalen Faktoren (Flora, Metaboliten, pH, Redoxpotential) werden Signale an andere Zellen weitergeleitet.
  • sehr hohe Sensordichte
  • sehr komplexes System (z.B. Regulierung des Sättigungsgefühls durch Hemmung der Fettverdauung)
  • Hunger/Sättigung ist das komplexeste menschliche Hormonsystem (ca. 50 Hormone beteiligt)
  • 1 Hungerhormon Ghrelin steht dutzenden Sättigungshormonen (z.B. CCK) gegenüber
• Bei Aufnahme von kohlenhydratreicher Kost wird
  • Insulin freigesetzt
  • Glucagon reduziert
  • die Glycogensynthese in Leber gesteigert
  • die Glucoseaufnahme und -oxidation in Muskeln gesteigert (insulinabhängig)
  • die Triglyceridspeicherung im Fettgewebe gesteigert (insulinabhängig)
  • die Glucoseaufnahme und -oxidation in Nieren gesteigert
  • Hemmung zur Freisetzung kataboler Signale induziert.
• individuelle Nierenschwelle: beschreibt das Maximum der Resorptionsleistung der Nieren (wenn überschritten, tritt Zucker im Urin auf)
  • je höher die Blutglucosegehalte über der Nierenschwelle, desto langsamer ist der Abbau der Glucose aus dem Blut
  • je niedriger der HbA1c (Glykohämoglobin), desto besser ist der Diabetiker eingestellt
• Glykämischer Index (Glucose = 100)
  • die selbe Menge an Kohlenhydrate kann zu einem unterschiedlichen Anstieg des Blutzuckerspiegels führen
  • je roher das Lebensmittel, desto niedriger ist der Index
  • der Index ist auch von Fett abhängig (Fett bestimmt Magensentleerungsrate), je mehr Fett, desto kleiner Index
• nach 2 Tagen Fasten ist das Glycogen in der Leben aufgebraucht und es wird Glycerin (Gluconeosynthese) zu Glucose umgewandelt. Da rote Blutkörperchen keine Mitochondrien besitzen, haben diese einen konstanten Bedarf an Glucose, der durch die Leber erfüllt werden muss.
• Glycogenspeicherfähigkeit
  • Leber (1-150g): kann auch Glucose gut ins Blut abgeben (Glucose-6-phosphat -> Glucose)
  • Muskel (200-300g): speichert nur Glucose in Form von Glycogen und gibt auch nichts mehr ins Blut ab (Abbau von Glucose-6-phosphat)
  • Glucose -> Glucose-6-phosphat -> Glucose-1-phosphat -> Glycogen -> .. -> Glucose
• Intermediärstoffwechsel im postresorptiven Zustand

Organ	postresorptiv	nüchtern
Pankreas	Insulin ↑ Glucagon ↓	Insulin ↓ Glucagon ↑
Muskel	G6P -> Glycogen G6P -> ATP	Glycogen -> G1P -> G6P -> ATP
Fettbewebe	G6P -> FFS-> Triglyceride	Triglyceride -> FFS
Leber	G6P -> G1P -> Glycogen G6P -> Actyl-CoA -> FFS -> Triglyceride	Glycogen -> G1P -> G6P -> Glucose / Acetyl-CoA

Am Besten schaut man sich hierzu das Bild im Skript an, weil dort noch die Beziehungen untereinander aufgeführt sind.

• normaler pH im Körper liegt zwischen 7,3-7,4
• während Fasten kommt es zu einer Ketoacidose, wobei der pH auf 6,8-6,7 fällt (bei Diabetiker sieht man diese Absenkung im Zeitraffer)
• der menschliche Körper ist toleranter gegenüber eine pH-Absenkung, eine Anhebung führt relativ schnell zum Tod (Eine Absenkung um pH 0,3 führt zu einer Verdoppelung der H⁺-Ionen
• die Atmung hat einen Einfluss auf den pH (Luftanhalten pH ↓, Hyperventilieren pH ↑)
• aus Acetyl-CoA können während der ß-Oxidation Ketone entstehen, die gut wasserlöslich sind und sich dabei gut im Körper verteilen

Glucose-liefernd	Glucose-verbrauchend
exogene Quelle	obligat
Nahrung 300 g/d	Stoffwechsel Nervengewebe, Nierenmark, Erythrocyten 200 g/d
endogene Quelle	fakultativ
Glycogenolyse (Leber, Muskel) 400 g/d Gluconeogenese 200 g/d	Stoffwechsel Leber, Muskulatur, Fettgewebe 700 g/d
900 g/d	900 g/d

Kohlenhydratstoffwechsel

Glycolyse

• Muskel besitzt keine Glucose-6-phosphatase und damit ist keine Freisetzung von Glucose möglich.
• Glutathion ist ein körpereigenes Antioxidanz GSH -> GSSG
• Pentosephosphat-Zyklus erlaubt die partielle Oxidation von Glucose und stellt damit Pentose-Phosphat anderen Reaktionen zur Verfügung
  • dabei entsteht NADPH₂ im Cytosol, welches für die reduktive Biosynthese verwendet wird (Fettsäuresynthese, Cholesterinsynthese, rote Blutkörperchen)
  • rote Blutkörperchen unterstehen einem ständigen Sauerstoffstress, aber durch Glutathion und NADPH₂ werden auftretende Radikale immer wieder reduziert.

• die Enzyme auf der linken Seite steuern die Flussrate und haben keine Rückreaktion, werden aber von Insulin aktiviert
• die Enzyme auf der rechten Seite katalysieren die Rückreaktion und werden von Insulin gehemmt

Lernen welche Enzyme welche Reaktion durchführen (Pro- und Edukte). Glycolyse und Gluconeogenese anschauen!

Citratzyklus

• das Verhältnis von ATP zu ADP steuert die Reaktion
• in der inneren Mitochondrienmembran wird das Pyruvat durch oxidative Carboxylierung zum Acetyl-CoA