Funktionen, Verdauung und Stoffwechsel

Kohlenhydrate (I)

Marco S., 04.08.2012

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Im ersten Teil der Kohlenhydratreihe, möchte ich dir ein Grundverständnis der Stoffklasse vermitteln. Der zweite Teil wird die Grundlagen weiter erläutern und abschließen. Im dritten Teil der Reihe werde ich ausführlich auf den sportlichen Bezug eingehen und diesen anhand von Beispielen und praktischen Anwendungen erläutern.

Was sind Kohlenhydrate?

Kohlenhydrate (Saccharide) stellen die größte Biomasse in unserer Natur dar. Sie liefern unserem Körper 17 kJ pro Gramm Kohlenhydrat, sind jedoch zur Aufrechterhaltung des Körpers nicht essentiell. Kohlenhydrate entstehen bei der Photosynthese der Pflanzen, als Traubenzucker und Biomasse.

So entstehen Einfachzucker (Monosaccharide, 1 Monosaccharid), Zweifachzucker(Disaccharide, bestehend aus 2 Monosacchariden) und Mehrfachzucker (Oligosaccharide, bestehend aus 3-9 Monosacchariden) bis hin zu (Polysacchariden, mehr als 9 Monosaccharide). Der Übergang von Oligo- bis Polysacchariden ist meist fließend. Die meisten dieser Gruppen können wir gut verwerten. Es gibt jedoch ein paar, welche wir durch fehlende Enzyme nicht verarbeiten können. Die nicht verwertbare Stoffgruppe wird auch als Ballaststoffe bezeichnet, welche unter die Gruppe der Polysaccharide fallen. Kohlenhydrate haben viele verschiedene Funktionen in unserem Körper und der Umwelt. Sie dienen nicht nur als Energieträger, sondern auch als Stützfunktion der Pflanzen. Schauen wir uns Kohlenhydrate genauer an, sind es Oxidationsprodukte von verschiedenen Alkoholen, welche sich in die Klassen der Aldosen und Ketosen aufteilen. In diese Klasse fallen auch ähnliche Substanzen, welche ich nicht weiter ausführen werde.

Kohlenhydratzufuhr

Die wichtigste Rolle in der Ernährung des Menschen spielt die Stoffklasse der Kohlenhydrate. In Entwicklungsländern wird zum Teil bis zum 80 % des Energiebedarfs durch Kohlenhydrate abgedeckt. In den Industrienationen sind es meist 50%, somit ist diese Stoffklasse die höchstkonsumierte, der Makronährstoffe. Die Vorteile der Kohlenhydrate sind meist durch die günstige Kostenlage an Rohstoffen und an verarbeiteten Lebensmitteln gegeben. Auch die lange Haltbarkeit spielt neben vielen Ernährungsphysiologischen Gründen eine große Rolle im Ernährungsverhalten der Menschheit. Kohlenhydrate sind leicht verwertbar und für deinen Körper der bevorzugte Energielieferant.

Wenn du dir die vielen verschiedenen Empfehlungen in Deutschland anschaust, wirst du meist eine Empfehlung zwischen 45% - 60% des Tagesbedarfs an Energie finden. Die typische Ernährungspyramide der DGE ordnet Kohlenhydrate in die Mitte ein und auch der Ernährungskreis oder das 6-5-4-3-2-1 Prinzip, stellen Kohlenhydrate nach Getränken Obst und Gemüse als wesentlichen Bestandteil der Ernährung dar.

Kohlenhydratzufuhr in Deutschland

Schauen wir uns die Zufuhr in Deutschland an, so stellen wir fest, dass die Grundversorgung der Deutschen meist mit Kohlenhydraten gut gedeckt ist. Die D-A-C-H Referenzwerte liegen bei 50%. Diese Werte verweisen jedoch auf den individuellen Energie- und Proteinbedarf, ebenso wie auf die Richtwerte der Fettzufuhr. Die Nationale Verzehrsstudie II (2008) unterstreicht teilweise die gute Versorgung mit Kohlenhydraten, bezogen auf die D-A-C-H Referenzwerte. Die Versorgung der Kohlenhydrate liegt bei Männern durchschnittlich bei ca. 50% der Tagesenergie. In jungen Jahren liegt dieser Wert etwas darüber (108% der Referenzwerte) und im Alter etwas darunter (95% der Referenzwerte). Bei Frauen nimmt der Anteil an Kohlenhydraten mit dem Alter ab. Erreichen diese noch mit 18 Jahren genau die 50%, der Energieversorgung durch Kohlenhydrate, können sie diese jedoch im Alter nicht beibehalten. Mit 25-34 Jahren nehmen sie nur noch 93% der Referenzwerte auf und mit 65 – 80 Jahren nur noch einen Anteil von 89%. Bewerten wir die Zufuhr für alle Bürger, ist diese jedoch gut und im Vergleich zu Fett und Proteinen ein Vorreiter, wenn es um die Umsetzung von Empfehlungen geht. Jedoch besteht die Stoffklasse der Kohlenhydrate aus verschieden langen Segmenten und verschiedenen Zusammensetzungen, welche aus ernährungsphysiologischer Sicht unterschiedliche Beurteilungen für unseren Körper haben. Ob diese verschiedenen Gruppen und Arten ähnlich gut abschneiden werden wir später beurteilen.

Aufgaben und Vorteile

Die Hauptfunktion der Kohlenhydrate ist die Energiebereitstellung. Je nach Aktivität werden zwischen 30 und 100 % der verbrauchten Energie aus Kohlenhydraten gewonnen. Je intensiver die Belastung, desto stärker werden die Kohlenhydrate zur Energiebereitstellung herangezogen.

In der Strukturformel der Kohlenhydrate ist Sauerstoff enthalten, dieser wird bei der Oxidation frei und somit muss weniger Sauerstoff von außen zugeführt werden, als bei der Oxidation von Fetten oder Eiweißen. Im Vergleich zu den Fettsäuren bringt die Oxidation der Kohlenhydrate durchschnittlich 8,6 % mehr Energie pro Liter aufgenommenen Sauerstoff. Außerdem liefern sie schnelle Energie, d. h. Kohlenhydrate können anaerob viermal so schnell und aerob doppelt so schnell Energie frei setzen wie Fette. Hierbei wird die Wichtigkeit der Kohlenhydrate bei maximalen und hochintensiven Belastungen deutlich, weiter werde ich im Sportteil auf diese Aspekte eingehen.

Die verschiedenen Kohlenhydrate

Ich möchte euch die oben genannten Gruppen nochmal etwas genauer erläutern und Beispiele nennen, damit ihr mit den verschiedenen Gruppen der Kohlenhydrate etwas verbinden könnt.

Monosaccharide

Pentosen

z.B. Arabinose, Xylose
Diese haben keine Bedeutung für die Energiegewinnung, jedoch sind sie ein Teil der Ribose und der Desoxyribose

Hexosen

  • Glucose (Dextrose, Traubenzucker)
  • Fructose (Fruchtzucker)
  • Galaktose (Schleimzucker)

Hexose-Derivate

z.B. Sorbit (Alkohol)
Xylit → Zuckeraustauschstoffe

Disaccharide

  • Saccharose (Rübenzucker, Rohrzucker)
  • Lactose (Milchzucker)
  • Maltose (Malzzucker) → beim enzymatischen Stärkeabbau

Oligosaccharide

z.B. Raffinose, Stachyose

Polysaccharide

Verwertbar

  • Stärke (Amylose, Amylopektin → Reservekohlenhydrat vieler Pflanzen)
  • Dextrine (Stärke-Abbauprodukte)
  • Glykogen (menschliches und tierisches Gewebe)

Gering Verwertbar

z.B. Agar, Carageen

Nicht verwertbar (Ballaststoffe)

z.B. Cellulose, Hemicellulose,
Pektine, Inulin

Die Kohlenhydratverdauung

Die Verdauung der Kohlenhydrate beginnt bereits im Mund. Bei der Einspeichelung und der maschinellen Zerkleinerung der Lebensmittel werden erste α-Amylasen genutzt um Polysaccharide und Oligosaccharide zu spalten. Somit gelangen hauptsächlich Disaccharide und Monosaccharide in den Magen. Ein Anteil an Poly- und Oligosacchariden, je nach Nahrungsanteil, wird allerdings auch weiter in den Magen gegeben. Die α-Amylase wirkt im Magen kaum noch, denn sie wird durch die Magensäure deaktiviert. Beim Übergang der Kohlenhydrate vom Magen in den Dünndarm, werden die Kohlenhydrate durch die Bauchspeicheldrüse wieder mit Amylase vermischt und so weiter abgebaut. In der Bürstensaummembran des Dünndarms kommen somit nur Disaccharide und Monosaccharide an. Gehen wir davon aus, dass in der Nahrung Laktose und Saccharose als Monosaccharide, Stärke und Glykogen als Polysaccharid aufgenommen wurde und im Lumen des Darms noch so vorliegen oder durch Abbau so angekommen sind, wurden spätestens jetzt Stärke und Dextrose zu Maltotriose, Maltose und Grenzdextrinen gespalten . Diese könnten ebenso wie Laktose und Saccharose in der Bürstensaummembran, durch die dort vorhandenen Enzyme gespalten werden. In diesem Fall würden Laktase, Isomaltase, Maltase und Saccharase die Saccharide spalten. Ins Cytoplasma, der in der Darmwand liegenden Zellen, können nur Monosaccharide eingespeist werden. Die Galaktose, Glukose und Fruktose würde danach ins Blut über die Pfortader zum jeweiligen Ort gebracht werden. Dabei werden Glucose und Galaktose aktiv mit den Natriumionen resorbiert, Fructose hingegen (passiv), durch Carrier. Dies führt dazu, dass Fruktose etwas langsamer zur Verfügung steht. Zur Auswahl würden verschiedene Zellen stehen, welche Glucose zum Aufbau verwenden, das Gehirn, die Muskulatur oder die Leber, welche Glucose für verschiedene Zwecke nutzen können - dazu aber später mehr. Die Verdauungs- und Verarbeitungszeit wird wie ihr seht durch die Komplexität des Kohlenhydrates ausgemacht. Ballaststoffe werden jedoch nicht verdaut, sind jedoch für den kompletten Darm und seine Bakterien gesundheitlich sehr empfehlenswert und mindern bei empfohlenem Verzehr einige Krankheitsbilder. Auch präventive Wirkungen der Ballaststoffe sind durch Studien bewiesen. Die Verdauung lässt jedoch nicht unbedingt auf die Schnelligkeit, der zur Verfügung stehenden Zucker schließen, denn auch Polysaccharide können sehr schnell als Energieträger zur Verfügung stehen.

Verteilung der Glucose in unserem Körper

In welchem Gewebe wird die Glucose gespeichert, wenn wir diese aufnehmen?

Die verschiedenen Kohlenhydratspeicher, der verschiedenen Gewebe, teilen sich im Durchschnitt ins Leberglykogen 150g, Muskelglykogen 250g und die extrazelluläre Glucose 15g, auf. Zusammen sind somit 415g Glucose im Körper gespeichert, wobei diese Werte auch variabel sind und im Bereich des Muskelglykogens bei Trainierenden fast bis zu 500g gesteigert werden können. Das Leberglykogen kann für verschiedenste Zwecke genutzt werden. Der Umbau kann zum Baumaterial für Zellen, Galaktose, Glucose und zur direkten Energiegewinnung in Acetyl-CoA stattfinden. Ebenso kann sie in den Pentosephosphatcyclus eingespeist werden, um für DNA und RNA zur Verfügung zu stehen. Bei Mangel an Glucose im Körper wird das Glykogen, durch die Glykogenolyse zu Glucose umgewandelt und kann so in den Blutkreislauf geschickt werden, um zum Beispiel das Gehirn oder einen Muskel mit Energie zu versorgen.

Wie sieht das Ganze aus, wenn wir 100g Glucose aufnehmen und die nach drei Stunden in unserem Körper seinen jeweiligen Platz zur Verwendung gesucht hat? Die Verteilung der Glucose kann sehr unterschiedlich sein und vor allem in Hungerstoffwechselsituationen und anderen Stresssituationen, wie zum Beispiel bei Sportlern´, stark abweichen. Bei einem „normal“ ernährenden und bei normaler Glucoseresorption ergibt sich jedoch folgendes Bild. Nachdem die Glucose resorbiert wurde, werden 55% der aufgenommenen Glucose in der Leber zur Weiterverarbeitung retiniert (zurückgehalten). Diese retinierte Glucose dient zur Energiegewinnung und zur Synthese von Glykogen. Periphere Organe hingegen retinieren nur 45%, zum Beispiel der Muskel, das Fettgewebe, das zentrale Nervensystem und viele andere.

Stoffwechsel der Glucose

Was für Stoffwechselwege gibt es?

Die Hauptstoffwechselwege sind:

Glycolyse → Energiegewinnung durch Bildung von Pyruvat
Gluconeogenese → Glucosebiosynthese
Hexosemonophosphatweg → Herstellung von Pentosen, Energiegewinnung
Glykogenstoffwechsel → Speicherung
Biosynthese und Stoffwechsel → Entgiftung der Glucuronsäure
Biosynthese der Heteroglykane → Strukturfunktion

Kurze Erläuterung zur Gluconeogenese

Die Gluconeogenese ist einer der wichtigsten Stoffwechselwege in unserem Körper. Viele verschiedene Organe und Körperabteilungen brauchen Glucose zur Verarbeitung und zur Aufrechterhaltung ihrer Arbeit. Wenn jedoch keine Glucose durch den Kohlenhydratstoffwechsel zur Verfügung steht, muss der Körper auf andere Nährstoffe zurückgreifen, um Glucose zu produzieren. Kurz gesagt, die Gluconeogenese stellt die Versorgung des Organismus mit Glucose in der postprandialen Phase sicher. Glucose ist dabei die einzige Energiequelle für das Nervengewebe, Erythrozyten und das Nierenmark. Auch das Muskelgewebe ist unter anaeroben Bedingungen (ohne Sauerstoff) nur auf Glucose angewiesen. Glucose dient verschiedenen Substanzen als Substrat, deshalb ist die Gluconeogenese ein sehr wichtiger Prozess. Beim Menschen läuft dieser Prozess nur in der Leber und in den Nieren ab. Auch der Alanin-Cyclus steht in Verbindung mit der Gluconeogenese.

Wie kann ich mir das ganze vereinfacht vorstellen?

Sobald der Körper für einen Prozess keine Glucose mehr zur Verfügung hat, werden verschiedene andere Stoffe herangezogen um dieses Defizit zu verhindern. Die direkte Quelle, welche jeder Bürger mit Glucose verbindet sind die Kohlenhydrate, jedoch können Fette und Eiweiße ebenfalls zur Energiegewinnung genutzt werden. Diese Stoffklassen werden in der Leber durch die Gluconeogenese in verschiedenen Prozessen zu Glucose umgebaut und dienen so der energetischen Aufrechterhaltung unseres Körpers. Die enge Beziehung der Gluconeogenese zum Lipidstoffwechsel und zum Aminosäurenstoffwechsel ist daher immer gegeben.

Hauptwege des Kohlenhydratstoffwechsels

In diesem Teil des Artikels möchte ich versuchen relativ simpel und kurz den Kohlenhydratstoffwechsel zu erläutern. Ich werde bewusst nicht zu sehr ins Detail gehen.

Wir gehen als Ausgangsprodukt von Stärke aus, einem Polysaccharid. Stärke wird durch Amylase in Dextrine und darauf in Maltose gespalten. Nach dieser Spaltung erfolgt eine weiter durch Maltase, welche aus Maltose Glucose spaltet. In Form von Glucose wird der Ausgangsstoff Stärke von der Darmwand resorbiert. Die Glucose gelangt in das Blut. Gehen wir davon aus, dass die Glucose an der Zielzelle angekommen ist, so finden verschiedene Phosphorylierungen statt, um in der Glycolyse Brenztraubensäure (Pyruvat) zu erstellen. Die Glykolyse findet dabei im Cytoplasma der Zelle statt. Erst in Form von Pyruvat kann der Prozess im Mitochondrium (Kraftwerk der Zelle) weiter geführt werden. Unter der Abgabe von Co2 und verschiedenen Prozessen wird aktivierte Essigsäure (Acetyl-CoA) hergestellt. In dieser Form kann unsere Ausgangsstärke in den Citratcyklus eingespeist werden. Es findet jetzt eine komplette Kohlenstoffabgabe im Citratcyklus statt, bei welchem schon geringe Mengen an ATP (Energieeinheit des Körpers) hergestellt werden. Durch die Übertragung des Wasserstoffs auf spezielle Träger (NADH/FADH_2), wird unter Abgabe von Wasser ATP produziert, welches für alle anstehenden Arbeiten im Körper genutzt wird. Dieser Vorgang findet in der Membran des Mitochondriums statt. Unter anaeroben (ohne Sauerstoff) Bedingungen wird bei diesem Prozess im Muskel Laktat (Milchsäure)produziert.

1mol Glucose kann 38mol ATP generieren.
Als Vergleich kann die Fettsäure Tripalmitin 409mol ATP erstellen.


Der Stoffwechselweg der Kohlenhydrate ist sehr komplex, deshalb möchte ich auf weitere Details verzichten. Wer Interesse an dem Thema Stoffwechselwege und Biochemie hat, der wird viel Literatur finden, welche er nutzen kann.

Zusammenfassung

Wie du sehen kannst sind Kohlenhydrate und deren Stoffwechselwege und Funktionen sehr komplex und sind ebenso wie Proteine und Lipide eine Wissenschaft für sich. Es gibt verschiedene Arten von Kohlenhydraten, welche unterschiedliche Effekte auf unseren Körper haben können und deren Funktionen nicht nur für den energetischen Zweck genutzt werden. Grundlagen im Bereich der Makronährstoffe helfen dir deinen Körper und seine Prozesse gut zu verstehen und werden dir auch später im sportbezogenen Artikel dieser Reihe helfen, deine Kohlenhydratzufuhr optimal zu gestalten.

Vorschau

Der zweite Teil der Artikelreihe wird sich hauptsächlich mit deinem Blutzucker beschäftigen. Auch der Glykämische Index und die Glykämische Last werden behandelt. Der Artikel wird ebenfalls die Frage der Prävention und "Low Carb" genauer beleuchten. Somit schließen die beiden Teile eine Zusammenfassung der Grundlagen des Nährstoffs ab.

Quellen

  1. Prof. Dr. Kathrin Kohlenberg-Müller: Lipide, Humanernährung (WS 2011/2012)

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