Verdauung: Und danach: Die Energie-Homöostase Stoffwechselwege

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1 Verdauung: Und danach: Die Energie-Homöostase Stoffwechselwege Dr. G. Mehrke 1

2 Die Energie-Homöostase Die Haupt-Energieträger sind Glukose, Aminosäuren, Fettsäuren und Ketonkörper Glukose ist besonders wichtig, da das Nervensystem nahezu ausschließlich Glukose zur Energiegewinnung verwendet. Energieträger werden nach der Absorption über die drei Hauptwege zur Energiegewinnung (ATP) metabolisiert: - die Glykolyse - die ß-Oxidation der Fettsäuren - den Zitratzyklus (Krebs-Zyklus) Die Energieträger können über diese Wege z.t. ineinander umgewandelt werden: - Glukose in Fettsäuren - Aminosäuren in Fettsäuren - Aminosäuren in Glukose Die Versorgung mit Energieträgern über den Verdauungstrakt erfolgt diskontinuierlich Dr. G. Mehrke OA = Oxalacetat KG = -Ketoglutarat Die großen Energieträgermengen müssen von Leber und Fettgewebe abgefangen und gespeichert und zwischen den Mahlzeiten aus den Speichern wieder mobilisiert werden. Die endokrine Steuerung erfolgt über das Insulin-Glukagon-System 2

3 Energie Einheit (Kilo-) Kalorie. Mit 1 kcal kann 1 Liter Wasser von 14 C auf 15 C erwärmt werden. Neuere Einheit: das (Kilo-) Joule: 1 kcal = 4,17 kj Faustregel: eine Zufuhr von 2500 kcal pro Tag ist ausreichend. Bei ganztägiger Schwerstarbeit oder Sportarten mit hohem Kraftaufwand: über 4000 kcal pro Tag. Dr. G. Mehrke 3

4 Energie Pro aufgenommenes Gramm Kohlenhydrate und Eiweiß sind dies 4,1 kcal (17 kj), pro Gramm Fett 9,3 kcal (39 kj). Alkoholische Getränke liefern zusätzlich zur Nahrung eine nicht unerhebliche Menge an weiterer Energie. 1 Gramm Alkohol (= 1,27 ml) liefert 7,1 kcal (30 kj) Energie. Dr. G. Mehrke 4

5 Absorbierte Energieträger werden in der Absorptionsphase gespeichert In der Absorptionsphase gelangen Aminosäuren (AA) und Glukose (G) über die Pfortader in die Leber. Unter Insulin (bereits durch GIP und Enteroglucagon vor der Absorption stimuliert) wandelt die Leber Glukose in Glykogen und in Fette (Triglyceride, TG) um. Daneben wird Glukose im erforderlichen Ausmaß von den Geweben metabolisiert ( fire ) Aminosäuren werden in der Leber z.t. zur Proteinsynthese verwendet, z.t. in Triglyceride umgewandelt, z.t. in Glukose umgewandelt (Glukoneogenese) und z.t. als Aminosäuren an die Organe, insbesondere die Muskulatur, weitergegeben. Dr. G. Mehrke Fettgewebe Leber Darm Muskel Triglyceride (Neutralfette, TG) gelangen unter Umgehung der Leber ins Blut und werden, ebenso wie die in der Leber synthetisierten Fette, im Fettgewebe gespeichert.

6 Aminosäuren Aminosäure Abkürzung Bemerkung L-Alanin Ala A - L-Arginin Arg R semi-essenziell L-Asparagin Asn N - L-Asparaginsäure Asp D - L-Cystein Cys C für Kinder essenziell L-Glutamin Gln Q - L-Glutaminsäure Glu E - Glycin Gly G - L-Histidin His H semi-essenziell L-Isoleucin Ile I essenziell L-Leucin Leu L essenziell L-Lysin Lys K essenziell L-Methionin Met M essenziell L-Phenylalanin Phe F essenziell L-Prolin Pro P - L-Selenocystein Sec U Schwefelatom durch Selen ersetzt, Bestandteil von Redox-Enzymen L-Serin Ser S - L-Threonin Thr T essenziell L-Tryptophan Trp W essenziell Dr. G. Mehrke L-Tyrosin Tyr Y für Kinder essenziell 6 L-Valin Val V essenziell

7 Leber und Fettzellen können Glukose in Fette umwandeln Die Leber kann nur einen Teil der anflutenden Glukose als Glykogen speichern. Der Großteil wird in Fettsäuren umgewandelt. In gleicher Weise wandeln Fettzellen Glukose in Fettsäuren um: Die Glykolyse liefert den Mitochondrien Pyruvat, das zu Acetyl-CoA decarboxyliert wird. Im Citratzyklus entsteht aus Oxalacatat + Acetyl-CoA Citrat, das einerseits weiter metabolisiert und andererseits aus dem Mitochondrien ausgeschleust und in Acetyl- CoA und Oxalacetat gespalten wird. Acetyl- CoA ist der Baustein der Fettsäuresynthese ( Umkehr der ß-Oxidation). Die Umwandlung von Kohlenhydraten in Fettsäuren ist irreversibel. 7

8 Die Leber synthetisiert Triglyceride und schleust sie als Lipoproteine ins Blut Die Leber bildet aus Glukose Fettsäuren und nimmt freie Fettsäuren (non esterified fatty acids NEFAs) aus dem Fettgewebe auf und verestert sie mit Glycerin zu Triglyceriden (TG) Zusätzlich werden im glatten endoplasmatischen Reticulum (smooth endoplasmic reticulum, SER) Cholesterin (CH) und Phospholipide (PL) synthetisiert. Im rauen endoplamatischen Reticulum (RER) werden Lipoproteine gebildet. Lipoproteine, Triglyceride, Phospholipide und Cholesterin bilden Transportmizellen mit hohem Lipidgehalt und daher sehr geringem spezifischem Gewicht (very low density). Diese VLDL (very low density lipoproteins) transportieren Fett von der Leber zu den peripheren Organen, in denen die Lipide durch eine Dr. G. Mehrke 8 Lipoprotein-Lipase abgespalten werden.

9 Wh: Blutfette Cholesterol: Aufnahme über Mizellen zusammen mit Fetten. Wird nach Bedarf in der Leber synthetisiert Risikofaktor LDL Bei einem Überangebot an Cholesterol lagert sich oxigeniertes LDL an den Innenschichten der Gefäße ab und gilt deshalb als Risikofaktor für Gefäßverkalkung (Arteriosklerose). LDL/HDL: 2,5 geringes Risiko > 4,5 hohes Risiko

10 Was geschieht nach der Absorption der Aminosäuren? Mehr als die Hälfte der über die Pfortader angelieferten Aminosäuren werden desaminiert (NH 2 abgespalten) und zur Glukoneogenese und Energiegewinnung verwendet; das NH 2 wird hierbei zu Harnstoff (Urea) umgewandelt. 14 % verwendet die Leber zur Synthese von Leberproteinen und 6 % zur Synthese von Plasmaproteinen. Die restlichen 23 % gelangen nach Passage der Leber in die systemische Zirkulation und stehen den Geweben, insbesondere der Muskulatur zur Proteinsynthese zur Verfügung. Dr. G. Mehrke 11

11 Aminosäuren Pool Skelettmuskeln sind die Hauptspeicher für Aminosäuren. Aminosäuren werden im Muskel in Form von Proteinen gespeichert und bei Bedarf auch wieder ins Blut freigesetzt. Zur Synthese von Gewebsproteinen werden Plasma-Aminosäuren und Aminosäuren aus dem Proteinabbau verwendet (Protein-Turnover) Dr. G. Mehrke 12

12 Harnsäure Überschüssige Eiweißmengen werden in der Leber abgebaut und in Kohlenhydrate oder Fett verwandelt. Das hierbei frei werdende Ammoniak (NH 3 ) wird mit CO 2 zu Harnstoff umgesetzt, der im Gegensatz zum Ammoniak ungiftig ist und über die Niere ausgeschieden wird. Bei einem Überangebot insbesondere von tierischem Eiweiß wird auch vermehrt Harnsäure gebildet, die sich in der Niere (Nierensteine) oder in den Gelenken ablagern kann (Gicht) Harnsäurebildung insbesondere auch aus den Purinen der Nukleinsäuren (Adenin - Guanin) Das Eiweißoptimum für einen Erwachsenen liegt bei etwa 50-70g pro Tag. Dr. G. Mehrke 13

13 Wirkung von Insulin Steigerung der Durchlässigkeit der Zellmembranen für Glukose, wodurch diese vermehrt aus dem Blut in die Zellen (vor allem Muskelzellen) aufgenommen wird. Steigerung der enzymatischen Glukoseverwertung in der Zelle. Hierzu zählt die gesteigerte Verbrennung der Glukose zur Energieerzeugung, wie auch die Überführung in die Speicherform Glykogen (vor allem in Leber- und Muskelzellen). Auch der Fettstoffwechsel wird durch Insulin maßgeblich beeinflusst, indem die Aufnahme von freien Fettsäuren in den Zellen deutlich gesteigert wird. In den Zellen (Leber- und Fettgewebe) werden diese Fettsäuren dann vermehrt in Depotfett (Triglyceride) überführt und gespeichert. Dr. G. Mehrke 14

14 Vitamine sind lebensnotwendige, organische Verbindungen, die der Körper nicht oder nur in unzureichender Menge selbst herstellen kann. Vitamine müssen daher dem Organismus mit der Nahrung zugeführt werden. Einige Vitamine bezieht der Körper allerdings nicht nur aus der Nahrung, sondern von Darmbakterien, die z. B. Vitamin K, Biotin und B12 (Folsäure) im Rahmen ihres Stoffwechsels in das Darmlumen abgeben. Aufgrund ihrer verschiedenen Löslichkeit werden die Vitamine in eine fettlösliche und eine wasserlösliche Gruppe unterteilt. Zu den fettlöslichen Vitaminen gehören die Vitamine A, D, E und K (Merkwort: EDeKA), die anderen sind wasserlöslich. Fettlösliche Vitamine können nur dann resorbiert werden, wenn genügend Galle sezerniert wird und die Fettresorptionsmechanismen intakt sind. Dr. G. Mehrke 15

15 Vitamin Mangelerscheinungen Nachtblindheit (Vitamin A) Skorbut (Vitamin C) Rachitis (Vitamin D) Anämie (Vitamin B12 = Cobolamin; Folsäure) Beriberi (Vitamin B1 = Thiamin) (Nervenlähmungen, Kreislaufprobleme) Gerinnungsstörungen (Vitamin K) Dr. G. Mehrke 16

16 Anorganische Bestandteile Die lebensnotwendigen anorganischen Stoffe müssen ebenfalls mit der Nahrung aufgenommen werden. In Form von Salzen (K, Na, Ca, Mg, Cl) oder in organischen Verbindungen (Schwefel, Stickstoff und Phosphor, Eisen). Wichtig sind auch die Spurenelemente wie Kupfer, Zink, Cobalt, Mangan, Selen, Silizium, Jod, Fluor. Zu bedenken ist, dass höhere Konzentrationen dieser Elemente toxisch sind. Dr. G. Mehrke 17

17 Ballaststoffe Zu den Ballaststoffen gehören Zellulose, Pektin und Lignin. Ihnen kommt für die normale Magen-Darm-Passage eine erhebliche Bedeutung zu. Sie können in unserem Darmtrakt nicht verdaut werden. Durch ihr Volumen regen sie die Darmperistaltik an und fördern den Transport des Nahrungsbreis. Werden sie nur in geringer Menge zugeführt, so neigen die meisten Menschen zu Verstopfung. Als Mindestmenge an Ballaststoffen werden 30g täglich in Form von Vollkornprodukten, Kartoffeln, Gemüse oder Obst empfohlen. Dr. G. Mehrke 18

18 Der Brennwert der Hauptnährstoffe Leistung Mensch: (Leistung = Arbeit (Energie) pro Zeit) Maximal ca. 200 W Radfahren: W Die für die Leistung verbrauchte Energie ist wesentlich höher als physikalisch zur Anwendung kommt (Grundumsatz; Wirkungsgrad) Dr. G. Mehrke 19

19 Dr. G. Mehrke 20

20 Leistung beim Gehen Beim normalen Gehen wird die aufzubringende Leistung hauptsächlich durch das Heben des Schwerpunktes verursacht. Die physikalische Leistung P berechnet sich aus: P= Masse * Erdbeschleunigung * Schrittfrequenz * Schwerpunkthub Für eine Person mit 70 kg und 3 cm Schwerpunkthub (Anheben des Körperschwerpunktes) ergeben sich bei 2 Schritten pro Sekunde und der Erdbeschleunigung von 9.81 m/s² ca. 41 W. Die innere Leistung (das, was der Körper für den Vorgang aufbringen muss, beträgt ca. 350 W. Davon sind ca. 85 W sogenannter Grundumsatz (Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen). Von der restlichen Muskelenergie können nur ca. 20% (der sogenannte Wirkungsgrad) genutzt werden - in diesem Beispiel (350 W - 85 W)*0.2 = 53 W. Von 53 W Muskelleistung werden also 41 W für das Heben des Schwerpunktes aufgebracht. Die restlichen 12 W werden im wesentlichen für die Bewegung der Beine benötigt (kinetische Energie). Dr. G. Mehrke 21

21 Beispiele Energieverbrauch Tafel Schokolade 100g, 3500 kj Ergometrie: 30min. / 100 Watt (schnelles Radfahren) Wieviel g und % der Schokolade sind abgebaut? 30*60*4* kj (verbrauchte Energie bei Ergometrie) 3500kJ : 100g = 35 kj/g (Brennwert der Schokolade) 720 kj : 35kJ/g = 20,6g ( verbrauchte Schokolade) ca. 21 % der gesamten Tafel Nudelportion 2000 kj Wie lange Ergometrie bei 50 W (Gehen), um vollständig zu verbrennen? 2000kJ = x * 50J/s *4 x = J : 200 J/s = s 166 2/3 min. ca. 2,8 h Dr. G. Mehrke 22

22 Faustformel zum Energieverbrauch 1g Fett benötigt 2 min. zum Abbau (110sec Gehen, 150sec mittleres Radfahren) 1g Kohlenhydrat benotigt 1 min. zum Abbau (50sec Gehen, 60sec Radfahren) Konstanthaltung des Gewichts lässt sich mit ca. 45 min. einfachen Trainings pro Woche erreichen Dr. G. Mehrke 23

23 Gewichts-zu/abnahme Gewichtszunahme: 10kg in 10 Jahren entspricht täglicher Fettzunahme von 3g 3g Fett entsprechen 120kJ (ein Stuck Schokolade) zum Abbau ca. 45min/Woche nötig (21g Fett/840kJ ca. 60 min bei 50 Watt) Gewichtshaltung Gewichtszunahme: 30kg in 10 Jahren löst mit 10% Wahrscheinlichkeit eine Typ-II-Diabetes aus entspricht täglicher Fettzunahme von 8g 8g Fett 320kJ zum Abbau schon 2,5h/Woche nötig Dr. G. Mehrke 24

24 Energieverbrauch durch Muskelarbeit Anteil in % Betaoxidation Glykolyse aerob Glykolyse anaerob Kreatinphosphat 24-Std-Lauf ca. 88 Muskelglykogen ca. 10 Leberglykogen (Blutglukose) ca. 2 Doppelmarathon ca. 60 Muskelglykogen ca. 35 Leberglykogen (Blutglukose) ca. 5 Marathon ca. 20 Muskelglykogen ca. 75 Leberglykogen (Blutglukose) ca m ca ca m ca ca m ca. 75 ca m ca. 50 ca m ca. 25 ca ca m ca. 10 ca. 65 ca. 25 Dr. G. Mehrke m ca. 50 ca. 50

25 Regelung des Eisenstoffwechsels Dr. G. Mehrke 26

26 Diarrhoe: Mißverhältnis zwischen Sekretion und Absorption Malabsorptions-D.: durch Zerstörung von Darmzotten Hypersekretorische D: bakterielle Enterotoxine (z.b. von E.coli) führen zur Daueraktivierung eine G- Proteins und der c-amp- Produktion in den Kryptenzellen, Aktivierung von Chloridkanälen. Dr. G. Mehrke 27