www.schullv.de Basiswissen > Physiologie > Die Verdauung Die Verdauung Skript PLUS Einführung Abb. 1: Pizza wollen wir uns im Folgenden ein wenig näher anschauen. Nach einem langen und anstrengenden Tag gibt es für die meisten kaum etwas Schöneres, als nach Hause zu kommen und einen gedeckten Tisch vorzufinden. Man kann einfach seine Sachen bei Seite legen und losschlemmen. Damit beginnt für uns zwar eine entspannte Zeit, für unseren Körper jedoch bedeutet es eine große Menge Arbeit: Er muss das Essen verdauen und die Nährstoffe nutzbar machen. Was genau dabei vor sich geht Der Verdauungstrakt Wenn wir an Verdauung denken, kommt uns meistens ein Organ schnell in den Sinn: der Magen. Doch unser Verdauungstrakt besteht aus weit mehr als nur dem Magen. Er ist weder das erste noch das letzte Glied in dieser Kette. Darum fangen wir einmal ganz am Anfang an. Der Mund www.schullv.de 1 von 9
Abb. 2: Der Mund Ein schönes Lächeln kann entzückend sein, aber unser Mund kann noch viel mehr. Zuerst einmal kauen wir die Nahrung mit unseren Zähnen. Dabei kommen verschiedene Zahnformen zum Einsatz, welche die Nahrung zerschneiden, zerquetschen oder zermahlen. Im Mund beginnt auch die erste, chemische Verdauung. Das Enzym Amylase, welches in unserem Speichel enthalten ist, zerteilt Polysaccharide, also lange Zuckerpolymere, in kürzere Mehrfachzucker. So wird z.b. aus Stärke der Zweifachzucker Maltose. Aus genau diesem Grund lösen sich auch Kaubonbons, Brause oder ähnliches auf, wenn wir sie lutschen. Sie bestehen fast ausschließlich aus Zuckern, die nach und nach klein geschnitten werden. Neben Amylase enthält der Speichel noch andere wichtige Stoffe: z.b. Proteine, welche die Nahrung gleitfähiger machen, damit sie besser die Speiseröhre hinabrutscht und nicht die Schleimhäute beschädigt. Auch im Speichel enthalten ist eine Lipase, also ein Enzym, das Fette spalten kann. Wieso aber löst sich fettiges Essen nicht genauso einfach in unserem Mund auf, wie es ein Hustenbonbon tut? Das liegt daran, dass die Lipase inaktiv ist. Jedes Enzym hat Bedingungen, unter denen es optimal arbeiten kann. Ein Teil dieser Bedingungen ist der ph-wert. Je nach ph-wert können Proteine in unterschiedlichen Faltungen vorliegen. Ein saurer ph-wert sorgt dafür, dass die Lipase sich so faltet, damit sie in ihrer aktiven Form vorliegt. Doch auch hier ist die Frage, wieso? Die Antwort darauf findest du im Abschnitt über den Magen. Abb. 3: Die Zunge einer Giraffe www.schullv.de 2 von 9
Unsere Zunge spielt ebenfalls eine wichtige Rolle. Sie entscheidet wie ein Türsteher darüber, ob das Essen als nahrhaft empfunden wird und in den Magen gehört oder ob es stattdessen lieber wieder ausgespuckt wird. Hätten wir das mal früher gewusst: Mama ich kann den Spinat nicht essen, meine Zunge findet ihn nicht nahrhaft genug um ihn herunterzuschlucken! Vielleicht kennst du das Sprichwort Gut gekaut ist halb gegessen. An diesem Sprichwort ist mehr dran, als man denkt. Durch langes Kauen gibst du der Amylase viel Zeit, ihre Arbeit zu verrichten. Außerdem vergrößerst du die Oberfläche deines Essens, wodurch Enzymen viel mehr Angriffsfläche zur Verfügung steht. Erstaunlicherweise schmecken wir mit der Zunge weniger, als viele denken. Lediglich die fünf Grundarten süß, sauer, salzig, bitter und umami (herzhaft) werden mit der Zunge wahrgenommen. Der Großteil des Geschmacks funktioniert über die Nase. Deshalb schmecken wir kaum etwas, wenn wir erkältet sind oder uns die Nase zuhalten. Schärfe ist im Gegensatz dazu keine Geschmacksrichtung. Schärfe ist ein Schmerzgefühl. Die Speiseröhre hinab... Abb. 4: Eine Frau im Handstand Wenn das Essen heruntergeschluckt wird, wandert es die Speiseröhre hinab, in den Magen. Dabei kommt es am Kehlkopf vorbei. Der Kehlkopf ist ein Ventil, das entscheidet ob etwas, das unseren Hals hinunter kommt, in die Luftröhre oder in die Speiseröhre geleitet wird. Genau das ist das Problem, wenn wir uns verschlucken: Etwas zu Essen ist aus Versehen in unsere Luftröhre gelangt. Es gab schon Fälle in denen Menschen ein großes Stück Schnitzel in ihrer Lunge hatten! www.schullv.de 3 von 9
Die Speiseröhre ist ein langer, muskulöser Schlauch. Ähnlich wie bei einer La-Ola-Welle schiebt sie das Essen hinab. Dabei ist sie so gut, dass sie Essen sogar entgegen der Schwerkraft transportieren kann. Du kannst im Handstand problemlos essen und sogar trinken, ohne dass dabei auch nur ein Schluck oder Bissen wieder herausrutscht....und in den Magen Abb. 5: Schematische Darstellung des Magens Der Magen ist das nächste Glied in der Verdauung. Der Magen ist ein gefalteter, dehnbarer Sack, der sich auf eine Größe von bis zu 2 Litern aufblähen kann. Der Magen sondert Magensaft ab. Im Magensaft enthalten ist Salzsäure. Sie senkt den ph-wert, entfaltet die Proteine und tötet die meisten Bakterien. Auch aktiviert sie die Lipase, die wir mit der Nahrung im Mund heruntergeschluckt haben. Die Lipase spaltet Fette in Glycerin, Fettsäuren und Monoglyceride. Die Fettverdauung findet aber nur zu 10-30% in unserem Magen statt. Der Rest geschieht im Dünndarm. Wieso aber wurde die Lipase erst in unserem Magen aktiviert? Die Lösung auf diese Frage finden wir, wenn wir uns die Zusammensetzung einer Zelle einmal näher anschauen. Das Grundgerüst jeder Zellmembran ist eine Doppel-Lipidschicht. Die Lipase macht keinen Unterschied zwischen Fetten und würde also auf ihrem Weg durch unser Verdauungssystem die Fette jeder Zellmembran spalten, an der sie vorbei käme. Aber unser Magen besteht ja auch aus Zellen, verdaut der Magen sich dann nich selbst? Ja, das tut er wirklich. Jedoch sondert unsere Magenschleimhaut Schleim ab, der aus Salzen, Fetten, Wasser und Zellen besteht. Dieser Schleim schützt die Magenwand vor der Lipase. Trotzdem kommt es immer wieder zu Schäden an Magenzellen. Deshalb teilen sich die Zellen der Magenwand besonders häufig. Alle drei Tage in etwa kommt eine neue Epithelschicht dazu, welche die alten, geschädigten Zellen ersetzt. Ein weiteres Enzym in unserem Magensaft ist das Pepsin. Pepsin spaltet Proteine an der Peptidbindung und macht aus ihnen kleinere Polypeptide. Auch dieser Teil der Verdauung geschieht, zum Schutz unseres Organismus, abgeschlossen im Magen. Wieso zum Schutz? Proteine sind ein sehr wichtiger Bestandteil von unzähligen Vorgängen in unserem Organismus. Gerade bei der Verdauung werden viele Enzyme benötigt, um die Nahrung zu spalten. Würden wir Pepsin erlauben, frei im Verdauungstrakt umherzuschwimmen, dann würde es beginnen alle Enzyme, die wir zum Verdauen in den Nahrungsbrei hinzugeben, zu spalten. Damit das nicht passiert, arbeitet das Pepsin nur in saurem ph-wert. Damit in der Zelle, die Pepsin produziert, ebenfalls nichts geschieht, wird Pepsin als Pepsinogen produziert. Erst in saurer Umgebung aktiviert sich das Pepsin selbst. www.schullv.de 4 von 9
Am Ein- und Ausgang des Magens sitzen jeweils Schließmuskeln. Sie sorgen dafür, dass während des Verdauungsprozesses nichts aus dem Magen heraus kommt. Kommt es doch einmal dazu, dass z.b. die Salzsäure aus unserem Magen in die Speiseröhre steigt, fühlen wir ein unangenehm brennendes Gefühl, da die Salzsäure unsere Zellen angreift. Wir bezeichnen das als Sodbrennen. Die Salzsäure in unserem Magen ist so konzentriert, dass sie einen ph-wert von 2 erreicht. Sie wäre sauer genug einen Eisennagel zu lösen. Abb. 6: Eine Schraube Der Dünndarm Abb. 7: Darmsystem des Menschen Den Anfang des Dünndarms bildet der Zwölffingerdarm. In ihm fließen die Säfte aus Pankreas (Bauchspeicheldrüse) und Gallenblase und dem Nahrungsbrei aus dem Magen zusammen. Das Pankreassekret enthält viele Enzyme, die für die Spaltung der Nährstoffe verantwortlich sind: Trypsin und Chymotrypsin spalten die Peptide zu kurzen Peptidketten, welche dann von der Carboxypeptidase in einzelne Aminosäuren zerteilt werden. Die Pankreaslipase spaltet die restlichen Fette, die im Magen noch nicht gespalten wurden. Die kleinen Mehrfachzucker werden von der Pankreasamylase in Disaccharide, also Zweifachzucker, gespalten. Nucleasen spalten DNA und RNA in Nukleotide. Ebenfalls im Pankreassekret enthalten ist Bicarbonat. Dieses Molekül wirkt als Puffer und erhöht den ph-wert, deaktiviert damit also das Pepsin und die Lipase. In unserem Verdauungsprozess spielen viele Enzyme eine wichtige Rolle und ihre Namen scheinen auf den ersten Blick verwirrend und unübersichtlich. Es gibt jedoch eine Faustregel, die oft sehr hilfreich sein kann: Enzyme sind nach dem benannt, was sie umsetzen, und enden auf -ase. Lipasen spalten Lipide, Pepsin spaltet Peptide. Schwieriger wird es jedoch bei der Pankreaslipase. www.schullv.de 5 von 9
Wie ihr Name verrät spaltet sie Lipide. Das Pankreas- dient lediglich dazu klarzustellen, aus welchem Organ das Enzym stammt. Ganz verwirrend wird es bei Trypsin und Chymotrypsin. Hier muss man sich einfach merken, dass sie für die Spaltung von Peptiden verantwortlich sind und nur nach bestimmten Aminosäuren schneiden. Die Galle stammt aus der Gallenblase und bestehet aus Gallensalzen. Sie dienen dazu, die Fette in der Nahrung zu emulgieren, also zu lösen. Fette sind hydrophob, d.h. sie lösen sich nicht in Wasser, sondern bilden kleine Tröpfchen, die sogenannten Micellen. Diese lagern sich zu immer größeren Micellen zusammen. Um die Entstehung eines solchen großen Fetttropfens zu verhindern, werden der Nahrung die Gallensalze beigemischt. Sie umhüllen die Micellen und halten sie klein. So ermöglichen sie der Pankreaslipase, die Fette zu spalten. Das alles geschieht auf den ersten 25 Zentimetern des Dünndarms. Insgesamt ist der Dünndarm bei einem erwachsenen Menschen jedoch bist zu 6 Meter lang. Der Rest des Dünndarms dient hauptsächlich zur Nährstoffaufnahme. Abb. 8: Schematische Darstellung einer Epithelzelle Dazu gibt es im Darm eine effektive Methode, die Oberfläche für die Aufnahme zu maximieren. Der Dünndarm legt sich in Falten. Auf der Oberseite der Darmfalten sitzen kleine, fingerähnliche Ausstülpungen, die sogenannten Darmzotten. Deren Oberfläche wellt sich erneut zu Ausstülpungen, den Mikrovilli. Darmzellen haben im Unterschied zu vielen anderen Zellarten eine Orientierung. Sie besitzen eine apikale, also dem Äußeren zugewandte, Seite und eine basalen, also dem darunterliegenden Gewebe zugewandte, Seite. Im Fall einer Darmzelle ist die apikale Seite die Seite, welche in den Darm zeigt, und die basale Seite die Seite, welche zur Blutbahn zeigt. Durch die Faltung erreicht der Dünndarm eine Obeflächenvergrößerung von über 80%. Würde man den Dünndarm eines Menschen entfalten, dann würde man eine Fläche von 300m 2 erhalten. Das entspricht einem Tennisplatz! In diesem Bereich werden auch noch die letzten Verdauungsschritte durchgeführt. Disaccharidasen spalten die Zucker zu Monosacchariden, wie z.b. Glucose. Nukleotide werden von Nukleotidasen, www.schullv.de 6 von 9
Nucleosidasen und Phosphatasen in Zucker, stickstoffhaltige Basen und Phosphate gespalten. Nährstoffe werden über unterschiedliche Mechanismen aufgenommen. Diffusion und Osmose spielen hierbei eine wichtige Rolle. Näheres zu diesen Themen findest du im Skript Physiologie - Die Atmung. Abb. 9: Transportprozesse im Dünndarm Fructose: Fructose wird über erleichterte Diffusion aufgenommen. Dabei diffundiert die Fructose durch ein Transportprotein mit dem Konzentrationsgefälle in die Epithelzellen des Darmes. Die Epithelzellen besitzen einen weiteren Fructosetransporter auf der basalen Seite. Durch diesen gelangt die Fructose in die Blutbahn und die Fructosekonzentration in der Zelle wird niedrig gehalten. Glucose, Aminosäuren und Vitamine: Diese Stoffe werden über einen aktiven Transport, also entgegen des Konzentrationsgefälles und mit Energieverbrauch, aufgenommen. Die Transportproteine für diese Vorgänge funktionieren alle nach dem selben Schema: Der Nährstoff wird zusammen mit Natrium unter ATP-Verbrauch in die Zelle gebracht. Benannt sind die Proteine nach dem was, sie transportieren. Im Falle von Glucose also der Glucose-Natrium- Symporter. Damit der Symporter immer mit Natrium beladen wird, um den Transport in Gang zu halten, wird über eine Natrium-Kalium-Pumpe Kalium in die Zelle und Natrium in die Blutbahn gepumpt. Die aufgenommenen Nährstoffe gelangen wieder durch erleichterte Diffusion über Transportproteine aus der Zelle heraus in die Blutbahn. Lipide: Fette werden passiv über Diffusion aufgenommen. Die Fettmicellen in unserem Darm lagern sich an der Membran an. Da sowohl die Lipide als auch unsere Membran sehr hydrophob sind, können die Lipide im Darm einfach durch die Membran in die Zelle diffundieren. Ein paar Vitamine, die wir benötigen, sind ebenfalls hydrophob. Sie können genauso wie Lipide über Diffusion aufgenommen werden. Welche Vitamine hydrophob sind, kann man sich ganz einfach mit einer Supermarktkette merken: ED(E)KA. Um die Lipidkonzentration in der Zelle gering zu halten, werden die Bausteine in der Zelle wieder zu Triglyceriden zusammengesetzt und über das Lymphsystem abtransportiert. Aber wieso nehmen wir z.b. Glucose nicht auf dieselbe Art auf, wie wir auch Fructose aufnehmen? Das würde doch Energie sparen und wäre viel einfacher. Die Lösung ist ganz einfach: Effizienz. www.schullv.de 7 von 9
Passive Transporte, wie die Fructoseaufnahme, hängen in ihrer Schnelligkeit von der Größe des Konzentrationsgefälles ab. Aktive Transporte, wie die Glucoseaufnahme, sind weitgehend unabhängig vom Konzentrationsgefälle und in diesem Fall auch schneller. Abb. 10: fructosereicher Granatapfel Vielleicht sind dir Unverträglichkeiten, wie die Fructoseintoleranz, bekannt. Dabei reagiert der Körper nicht gut auf Fructose, aber wusstest du, dass es verschiedene Formen von Fructoseintoleranz gibt? Eine Form hat ihren Ursprung genau in dem Fructosetransportprotein in unserem Dünndarm. Sie nennt sich Fructosemalabsorption. Hierbei nimmt der Körper Fructose nur sehr schlecht auf, d.h. die Fructose gelangt durch den Dünndarm bis in den Dickdarm. Die dort lebenden Bakterien verarbeiten ihn zu Fettsäuren, welche Blähungen und Durchfall auslösen können. Wenn das über längere Zeit geschieht, kann sich die Bakterienzusammensetzung in unserem Darm so stark ändern, dass die Symptome sogar beim Essen von nicht-fructosehaltigen Lebensmitteln auftreten! Der Dickdarm Am Anfang des Dickdarms befindet sich der Blinddarm mit seinem Wurmfortsatz, der Appendix vermiformis. Er ist ein Teil des Immunsystems, ist aber entbehrlich. Gelegentlich kommt es vor, dass Menschen, die eine Entzündung an diesem Teil des Blinddarmes haben, diesen Wurmfortsatz herausoperiert bekommen. Oft kommt es zur Verwechslung: Der Wurmfortsatz ist nur ein Teil des Blinddarmes. Er ist auch der einzige Teil, der operativ entfernt werden kann. Aber wieso besitzen wir eigentlich so ein Organ, das teilweise entbehrlich ist? Die Antwort ist einfach: Es ist ein evolutionäres Überbleibsel. Der Blinddarm hat vor allem bei Pflanzenfressern die Aufgabe, die aufgenommene Nahrung zu vergären. Bei diesen Tieren ist der Blinddarm dementsprechend stark ausgeprägt. Im Laufe der Evolution wurde der Blinddarm für den Menschen immer weniger wichtig und teilweise entbehrlich. Nach diesem kurzen Stück läuft der Dickdarm noch ca. 1,5 Meter weiter. Seine Hauptaufgabe besteht darin, Wasser aufzunehmen. Im Laufe der Verdauung werden bis zu 7 Liter Wasser zur Nahrung gegeben. Diese Wiederaufnahme erfolgt über Osmose. Natrium-Ionen werden in die Epithelzellen des Dickdarmes gepumpt und Wasser fließt hinterher, um die Konzentrationen auszugleichen. www.schullv.de 8 von 9
Abb. 11: Escherichia Coli (hier zum Nachweis) Ebenfalls im Darm beheimatet sind allerhand Bakterien. Das bekannteste darunter ist E. Coli (Escherichia Coli). Sie ernähren sich von den restlichen Nährstoffen, die vom Menschen teilweise auch nicht verwertbar sind. Dabei bilden sie Methan oder auch Schwefelwasserstoff. Das sind die Gase, die bei uns Blähungen verursachen. Doch diese Bakterien können noch mehr als uns zum flatulieren zu bringen. Sie produzieren auch Vitamine, wie Vitamin K, die wir aufnehmen können. 2011 war EHEC (enterohämorrhagisches Escherichia Coli) ein großes Thema. Diese Krankheit wurde auch von E. Coli ausgelöst, aber das ist kein Grund sich Sorgen wegen unseren Darmbakterien zu machen. Eine Art von Bakterien kann man in verschiedene Stämme einteilen, ähnlich wie es z.b. Franzosen, Deutsche oder Italiener gibt. Wir sind alle Menschen, aber unterscheiden uns von Land zu Land öfters mal in der Sprache oder der Mentalität. Genauso war der E.Coli-Stamm, der für EHEC verantwortlich war ein pathogener, also krankheitserregender, Stamm, während unsere Darm-E. Colis ungefährlich sind. Alles, was von unserem Körper oder den Bakterien nicht verwertet werden kann, wird im Dickdarm in den Bereich des Enddarmes transportiert. Dort werden die Reste gelagert, bis sie als Kot ausgeschiedene werden. Für diesen 9-12 Meter langen Weg braucht die Nahrung 12-24 Stunden. Bildnachweise [nach oben] [1] Public Domain. [2] Public Domain. [3] Public Domain. [4] Public Domain. [5] Public Domain. [6] Public Domain. [7] Public Domain. [8] 2015 SchulLV. [9] 2015 SchulLV. [10] Public Domain. [11] https://www.flickr.com/photos/prep4md/2692341100/ Yasser, CC-BY-SA www.schullv.de 9 von 9