Ernährungsphysiologischer Wert von Fettsäuren in der Humanernährung

Transkript

1 Ernährungsphysiologischer Wert von Fettsäuren in der Humanernährung P. Stehle Institut für Ernährungs- und Lebensmittelwissenschaften (IEL) Ernährungsphysiologie, Universität Bonn, D Bonn Ernährungsphysiologische Einteilung Fette bzw. Lipide stellen eine heterogene Gruppe von Substanzen dar, deren Gemeinsamkeit in der hohen Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln liegt. Zu dieser Substanzklasse gehören Neutralfette, Steroide (z.b. Cholesterol, Sexualhormone), fettlösliche Vitamine (A, D, E, K), Wachse und sog. komplexe Lipide (z.b. Phospholipide, Sphingolipide und Glykolipide). Die Mehrzahl dieser Substanzen enthalten Fettsäuren (verseifbare Fette). Die mengenmässig wichtigsten Fettsäurenverbindungen sind die Triacylglycerole (Triglyceride; Neutralfette). In den Triglyceriden sind jeweils drei Fettsäuren mit Glycerol verestert. Triglyceride stellen den bedeutendsten Energiespeicher (ca kcal im Fettgewebe) im menschlichen Organismus dar (Stehle, 2002). Die Nahrungsfettsäuren lassen sich an Hand ihrer Kettenlänge in verschiedene Gruppen einteilen: Kurzkettige Fettsäuren (bis 4 C-Atome) Mittelkettige Fettsäuren (6-12 C-Atome) Langkettige Fettsäuren (> 12 C-Atome) Auf Grund der Anzahl der im Molekül vorhandenen Doppelbindungen werden die Fettsäuren in gesättigte (GFS), einfach ungesättigte (EUFS, englisch: MUFA) und mehrfach ungesättigte (MUFS, englisch: PUFA) Fettsäuren eingeteilt. Tabelle 1 nennt die für die menschliche Ernährung wichtigsten Fettsäuren. Bei der korrekten Nomenklatur einer Fettsäure muss die Anzahl und die Lage der Doppelbindung(en) angegeben werden. Der Buchstabe ω (omega, in älteren Publikationen auch n) gibt dabei die Stellung der ersten Doppelbindung vom Methylende des Moleküls gezählt an. Die korrekte Beschreibung der Linolsäure (18 C-Atome, zwei Doppelbindungen, erste Doppelbindung am C6 vom Methylende) ist somit 18:2, ω6 (D-A-CH, 2000). 57

2 Tabelle 1: Für die menschliche Ernährung wichtige Fettsäuren Palmitinsäure gesättigte Fettsäure C16:0 Ölsäure einfach ungesättigte Fettsäure C18:1, ω9 Linolsäure zweifach ungesättigte Fettsäure C18:2, ω6 Arachidonsäure mehrfach ungesättigte Fettsäure C20:4, ω6 α-linolensäure mehrfach ungesättigte Fettsäure C18:3, ω3 Eisosapentaensäure mehrfach ungesättigte Fettsäure C20:5, ω3 Docosahexaensäure mehrfach ungesättigte Fettsäure C22:6, ω3 Abbildung 1: Ablauf des Hydrierungsprozesses am Beispiel Linolsäure Ein weiteres Einteilungsmerkmal ist die räumliche Anordnung (Isomerie der Doppelbindungen). In Fettsäuren können die Substituenten in der cis-stellung (nach neuer Nomenklatur: Z-Stellung) oder in der trans-stellung (E-Stellung) vorliegen. Nutritive Fettsäuren weisen in der Regel cis- Konfiguration auf. Nachweisliche Mengen an trans-fettsäuren entstehen durch die industrielle Härtung von Ölen und im Pansen von Wiederkäuern durch den Einfluss von Mikroorganismen 58

3 (Biohydrierung). Die Hydrierung verläuft bei beiden Prozessen über mehrere Stufen; Endprodukt ist jeweils eine gesättigte Fettsäure (Abbildung 1). Als Zwischenprodukte treten auch so genannte konjugierte Diene (conjugated linoleic acids, CLA) auf (Abbildung 1). Der Gehalt an trans-fettsäuren in gehärteten Fetten hängt stark von der Prozessführung und den Hydrierungsbedingungen ab. Im Depot- und Milchfett der Wiederkäuer liegt der Gesamtgehalt an trans-fettsäuren bei 2-4 %. Absorption, Transport und endogener Stoffwechsel Für die Verdauung und Absorption von Fetten (Lipiden) ist die Anwesenheit von Galle und Pankreassaft notwendig. Dementsprechend beginnt der Fettabbau erst nach Einmündung des Gallen- und Pankreasganges im Duodenum. Bezüglich Verdauung, Absorption, oxidativem Abbau und möglichem Einbau in Triglyceride und Phospholipide bestehen keine Unterschiede zwischen cis- und trans-fettsäuren. Micellenbildung. Nach Emulgierung der Fette unter Mitwirkung von Gallensäuren findet in der Fett-Wasser-Grenzschicht der Angriff der Pankreaslipase auf die Esterbindungen in den Triglyceriden statt; bevorzugt gespalten werden dabei Bindungen an C 1 und C 3. Die entstehenden Fettsäuren, Monoglyceride, Diglyceride, freies Glycerol und Phospholipide bilden zusammen mit den konjugierten Gallensäuren spontan sog. Micellen. Mit der Nahrung zugeführte Cholesterolester werden durch die Cholesterolesterase gespalten. Freies Cholesterol wird grösstenteils in die Micellen eingebaut. Chylomikronenbildung. Die Absorption der Fettspaltprodukte erfolgt durch Kontakt der Micellen mit der Bürstensaum-Membran ( Dissoziation der Micell-Struktur) durch passive Diffusion. Kurzund mittelkettige Fettsäuren können zumindest teilweise direkt absorbiert und von den Mucosazellen ins Pfortaderblut abgegeben werden. Langkettige Fettsäuren und Monoglyceride unterliegen sofort nach Aufnahme in die Zelle einer Reveresterung zu Triglyceriden und werden mit anderen aus dem Darm absorbierten Lipiden (Phospholipide, Cholesterin bzw. -ester) als Chylomikronen (Lipoproteine mit hohem Triglyceridanteil) in die Lymphbahn abgegeben. Die in den Chylomikronen enthaltenen Triglyceride werden im Blutstrom durch eine extrazelluläre Lipase rasch in freie Fettsäuren und Monoglyceride gespalten; diese Hydrolyseprodukte werden dann von den Geweben aufgenommen und verwertet. Die Chylomikronen-Reste ("remnants") gelangen in die Leber. Endogene Lipoproteinsynthese. Die Leber setzt ihrerseits "Very Low Density Lipoproteins" (VLDL) frei, die ebenfalls durch die extrazelluläre Lipase abgebaut und letztlich unter Proteinfreisetzung in "Low Density Lipoproteins" (LDL) umgewandelt werden. Extrahepatische Gewebe (z.b. 59

4 Muskulatur) nehmen LDL rezeptorvermittelt auf und verwerten diese Lipoproteine im Lysosom. Aus den ins Blut gelangenden Abbauprodukten der LDL-Verwertung werden "High Density Lipoproteins" (HDL) zusammengefügt. Den zirkulierenden HDL kommt zudem die wichtige Aufgabe zu, überschüssiges Cholesterin aus den Membranen der Zelloberfläche zu extrahieren (Cholesterinfänger). HDL kann dann Cholesterinester auf VLDL übertragen. Weiterhin wird angenommen, dass HDL direkt von der Leber aufgenommen werden können. Elongation und Desaturierung. Ausgehend von Ölsäure (C18:1, ω9), Linolsäure (C18:2, ω6) und α- Linolensäure (C18:3, ω3) kann unser Organismus C 2 -Einheiten und Doppelbindungen in die Kettenstruktur einbauen. Die entsprechenden Elongasen und Desaturasen akzeptieren Substrate aus allen drei Fettsäurenfamilien (ω9, ω6 und ω3); deren Affinität nimmt von ω9 nach ω3 ab. Unentbehrliche Fettsäuren. Linolsäure (C18:2, ω6) und α-linolensäure (18:3, ω3) können vom menschlichen Organismus nicht synthetisiert werden und gehören somit zu den unentbehrlichen (biochemisch essentiellen) Nährstoffen. Die Zufuhrempfehlungen für gesunde Erwachsene liegen für Linolsäure bei 2.5 %, für α-linolensäure bei 0.5 % der zugeführten Energie. Ernährungsphysiologische Funktionen Fette bzw. Fettsäuren sind wichtige Energielieferanten (38-39 kj / kcal pro g Triglyzerid) und Energiespeicher für den menschlichen Organismus. Der oxidative Abbau der Fettsäuren findet in den Mitochondrien statt. Für den Transport durch die innere Mitochondrienmembran wird der langkettige Fettsäure-Acyl-CoA-Ester auf Carnitin übertragen. Nach der Passage beginnt die ß- Oxidation der Fettsäuren durch Transfer der Acylgruppe auf CoA. Im Verlauf der ß-Oxidation werden nacheinander C2-Einheiten abgespalten. Die entsprechende Acetyl-CoA wird über den TCA-Zyklus vollständig oxidiert oder zur Synthese von Ketonkörpern (Acetoacetat, ß- Hydroxybutyrat) genutzt. Neben ihrer Funktion als Energiesubstrat besitzen langkettige Fettsäuren noch einige spezifische Aufgaben (Stehle, 2000): Sie sind sie Bestandteile von Strukturlipiden (biologische Membranen, Nervensystem) Sie sind Vorstufen für die Synthese von sog. Gewebshormonen (Eicosanoide). Als Bestandteil von Zellmembranen beeinflussen langkettige Fettsäuren die Fluidität der Membran und damit verbunden transmembrane Transportprozesse (z.b. Aktivität des LDL- Receptors.) Aus Arachidonsäure (ω6-fettsäure) leiten sich Mediatoren mit pro-inflammatorischen Wirkungen ab (Leukotriene der 4er-Serie). 60

5 Zudem entstehen Prostaglandine und Thromboxane der 2er-Serie, die den Gefässtonus erhöhen und die Blutplättchenaggregation verstärken. Die aus Eicosapentaensäure (ω3-fettsäure) gebildeten Gewebshormone (Prostaglandine und Thromboxane der 3er-Serie; Leukotriene der 5er-Serie) dagegen besitzen gegenteilige Wirkung (Verminderung der Thrombozytenaggregation und des Gefässtonus) bzw. sind schwächere Entzündungsmediatoren. Mit der Nahrung zugeführte Fettsäuren können auf verschiedene Weise das Immunsystem beeinflussen (Grimble, 2001). Die Fettsäurenzusammensetzung der Phospholipide in den Zellmembranen definieren deren mechanisches Verhalten (Fluidität): Ein hoher Anteil an gesättigten bzw. trans-fettsäuren macht die Zellmembran rigider, der Einbau von (mehrfach) ungesättigten Fettsäuren erhöht die Flexibilität. Direkt damit verbunden ist die Aktivität von Rezeptoren (z.b. LDL-Rezeptor, Rezeptoren für Zytokine) und Transportsystemen, die strukturell in die Membranen eingebettet sind. Veränderungen in der Fluidität durch alimentäre Zufuhr von Fetten/Fettsäuren können somit weitreichende metabolische Konsequenzen besitzen (z.b. veränderte Aktivitäten von Enzymen). Ein weiterer Faktor ist die Beeinflussung der Zytokin- und Mediatorbiologie durch mehrfach ungesättigte Fettsäuren. Aus Eicosapentaensäure (C20:5, ω3) und Arachidonsäure (C20:4, ω6) werden durch Katalyse der beiden Enzyme Lipoxygenase und Cyclooxygenase so genannte Eicosanoide gebildet (10-8 bis 10-6 g / g Gewebe) (Abbildung 2). Diese Gewebshormone beeinflussen die Funktionen von glatten Muskelzellen, Endothelien, Monocyten, Thrombocyten sowie Entzündungs- und Immunreaktionen. Hinsichtlich pro- bzw. antiinflammatorischer Prozesse wirken die Eicosanoide aus EPA und AA antagonistisch. Ernährungsphysiologische Bewertung von Nahrungsfetten Aus den obigen Ausführungen ergibt sich zwangsläufig, dass die ernährungsphysiologische Qualität eines Nahrungsfettes nicht nur durch den Gehalt an essenziellen Fettsäuren und dem Anteil an gesättigten bzw. ungesättigten Fettsäuren bestimmt wird, sondern dass der absolute Gehalt an langkettigen ω3-fettsäuren bzw. das Verhältnis von ω6- zu ω3-fettsäuren deren Wert zu berücksichtigen ist. Hintergrund hierfür sind die vielfältigen Belege über die präventive (und therapeutische) Wirkung von ω3-fettsäuren im menschlichen Organismus (DGE, 2006). 61

6 Abbildung 2: Bildung von Eicosanoiden aus Eicosapentaensäure (ω3) und Arachidonsäure (ω6) (modifiziert nach Fürst et al., 2000) antiinflammatorisch proinflammatorisch Prostanoide der 3er Serie Prostanoide der 2er-serie Prostaglandin E 3 Prostaglandin E 2 Prostaglandin I 3 Prostaglandin F 2α Thromboxan A 3 Thromboxan A 2 Eicosapentaensäure Cyclooxygenase Arachidonsäure Lipoxygenase EicosapentaensäureArachidonsäure Leukotriene der 5er Serie Leukotriene der 4er-serie Leukotrien B 5 Leukotrien B 4 Leukotrien C 5 Leukotrien C 4 Leukotrien D 5 Leukotrien D 4 antiinflammatorisch proinflammatorisch Die ersten Hinweise auf diese Zusammenhänge lieferten epidemiologische Studien an Populationen, die traditionell grosse Mengen an Fisch verzehren (Bang et al., 1976). Ursprünglich lebende Eskimos auf Grönland (Inuits) wiesen im Vergleich zu einer Bevölkerungsgruppe in Dänemark eine deutlich niedrigere Inzidenz für Myokardinfarkte, Asthma und Psoriasis auf, obwohl die Gesamtfettzufuhr (in Prozent der Energie) in beiden Gruppen nicht unterschiedlich war. Deutlich verschieden war jedoch die Zusammensetzung der zugeführten mehrfach ungesättigten Fettsäuren: Während Eskimos ein nahezu ausgeglichenes Verhältnis von ω6- zu ω3-fettsäuren aufwiesen, nahmen die Dänen (entsprechend einer üblichen mitteleuropäischen Kost) 3fach höhere Mengen an ω6- als an ω3-fettsäuren auf. Nachfolgende retrospektive Auswertungen (Relation zwischen Fettsäurenzufuhr und Auftreten von chronischen Erkrankungen) bestätigten diese Ergebnisse. In mehreren Interventionsstudien konnte dann entsprechend gezeigt werden, dass die 62

7 Zufuhr von langkettigen ω3-fettsäuren, insbesondere von Eicosapentaensäure, in Bezug auf tödliche Herzinfarkte protektiv wirkt. Eine Erklärung für diese präventiven Effekte liegt in der Beeinflussung der endogenen Eicosanoid- Synthese. Ausschlaggebend für die Art der endogen gebildeten Eicosanoide ist die Fettsäurenzusammensetzung der Membranphospholipide, die ihrerseits durch die Ernährung beeinflusst wird. Dabei ist nicht nur die Zufuhr an Eicosapentaensäure und Arachidonsäure selbst, sondern auch der Gesamtanteil an entsprechenden Vorstufen (Linolsäure und α-linolensäure) zu beachten. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass unter physiologischen Bedingungen endogen nur maximal 10% dieser C18-Vorstufen in die C20-Derivate umgesetzt werden. Es bleibt somit fraglich, ob eine Zufuhr an α-linolensäure vergleichbare präventive Wirkungen aufweist wie die Aufnahme an langkettigen ω3-fettsäuren (Eicosapentaensäure, Docosahexaensäure). Noch umstritten ist eine mögliche Funktion von CLA in der Prävention chronischer Erkrankungen (Nagao et al., 2005). Experimentelle und In vitro Studien weisen auf verschiedene günstige Wirkungen (z.b. antioxidativ, antikanzerogen, antidiabetisch, Körpergewicht regulierend) hin, wobei vor allem das Isomer 9cis, 11trans entscheidend sein soll. Belege aus Humanstudien stehen gegenwärtig noch aus. Referenzwerte für die Zufuhr an Fett/Fettsäuren (D-A-CH, 2000) Zur Gewährleistung einer ausreichenden Zufuhr an unentbehrlichen Fettsäuren, fettlöslichen Vitaminen und Energie haben die DGE, SGE und ÖGE (Deutsche, Schweizerische und Österreichische Gesellschaft D-A-CH) folgende Referenzwerte festgelegt (Erwachsene): Die Fettaufnahme sollte 30 % der Gesamtnahrungsenergie nicht überschreiten (Ausnahme: schwere körperliche Arbeit). Der Anteil langkettiger gesättigter Fettsäuren sollte maximal ein Drittel der als Fett zugeführten Energie betragen (<10en%). Mehrfach ungesättigte Fettsäuren sollten etwa 7 % der Nahrungsenergie liefern; darin enthalten sind die unentbehrlichen Fettsäuren Linolsäure (2.5en%) und α-linolensäure (0.5en%). Das Verhältnis von ω6- zu ω3-fettsäuren sollte etwa 5:1 erreichen. Einfach ungesättigte Fettsäuren decken den Rest der Fettzufuhr ab ( 10en%). Umsetzung der Referenzwerte - Probleme Entsprechend den D-A-CH-Referenzwerten sind Lebensmittel mit einem verhältnismässig hohen Gehalt an (langkettigen) ω3-fettsäuren (vor allem Eicosapentaensäure und Docosahexaensäure, α- Linolensäure) zu bevorzugen. Bei den pflanzlichen Ölen liefern Leinöl, Walnussöl, Rapsöl und 63

8 Sojaöl bedeutende Mengen an ω3-fettsäuren. Eicosapentaensäure und Docosahexaensäure sind hauptsächlich in fetten Seefischen wie Hering, Makrele und (Wild)Lachs enthalten. Generell ist die Zufuhr an ω3-fettsäuren in weiten Teilen Mitteleuropas zu niedrig. Dies liegt einerseits am nicht idealen Ernährungsverhalten der Bevölkerung, andererseits an der teilweise eingeschränkten Verfügbarkeit von Lebensmitteln, die reich an ω3-fettsäuren sind. Sowohl im pflanzlichen (Züchtungsversuche, Grüne Gentechnik ) als auch im tierischen Bereich (Ernährung) werden daher Anstrengungen unternommen, die für die menschliche Ernährung gewonnenen Nahrungsfette an ein optimales Muster anzugleichen. Hier ist zunächst festzuhalten, dass unsere tägliche Kost aus einer Vielzahl von Fettsäurenquellen zusammengesetzt ist und somit die Optimierung eines Produktes sicherlich nicht eine adäquate Aufnahme von langkettigen ω3- Fettsäuren garantieren kann. In jedem Fall ist es jedoch sinnvoll, das Angebot an Lebensmitteln mit quantitativ bedeutenden Mengen an ω3-fettsäuren zu erhöhen. Schlussfolgerungen Es kann heute nicht mehr in Frage gestellt werden, dass nutritive mehrfach ungesättigte Fettsäuren weitreichende Effekte auf den menschlichen Stoffwechsel haben. Die Fettsäurenzusammensetzung bewirkt eine Modulation der Immunantwort, kann die Cytokin-Biologie beeinflussen und die Konzentration von Metaboliten (z.b. LDL-Cholesterol) senken. Aus präventiver Sicht ist daher eine ausgewogene Zufuhr an ω6- und ω3-fettsäuren (Verhältnis 5:1) unter Berücksichtigung einer maximalen Gesamtzufuhr (ca. 7 % der Energie) sinnvoll. Zusätzlich zu den bekannten ω3- Lieferanten wie Meeresfisch und ausgewählte Pflanzenöle ist es durchaus angebracht, das Fettsäuren-Muster anderer Lebensmittel (z.b. Milchfett) im Sinne einer Erhöhung der Anteile an ω3-fettsäuren und/oder einer Erniedrigung der Gehalte an ω6-fettsäuren zu verändern. Literatur Bang, HO., Dyerberg, J. & N. Hjorne Composition of food consumed by Greenland Eskimos. Acta Med. Scand. 200: DGE Fettkonsum und Prävention ausgewählter ernährungsmitbedingter Krankheiten. Deutsche Gesellschaft für Ernährung, Österreichische Gesellschaft für Ernährung, Schweizerische Gesellschaft für Ernährungsforschung, Schweizerische Vereinigung für Ernährung (D-A-CH). 64

9 2000. Referenzwerte für die Nährstoffzufuhr. 1. Auflage. Umschau Braus-Verlag, Frankfurt, Deutschland. Fürst, P. & KS. Kuhn Fish oil emulsions: what benefits they can bring? Clin. Nutr. 19: Nagao, K. & T. Yanagita Conjugated fatty acids in food and their health benefits. J. Biosci. Bioeng. 100: Grimble, RF Nutritional modulation of immune function. Proc. Nutr. Soc. 60: Stehle, P Grundlagen. Energie und Nährstoffe. In: Ernährungsmedizin in der Praxis. (Kluthe, R, ed.) Perimed Spitta, Balingen, Deutschland, Kapitel 8/3. Stehle, P Immunonutrition Nährstoffe mit immunmodulierender Wirkung. Teil 2: Nukleotide und mehrfach ungesättigte Fettsäuren. Ernähr. Umschau 47: