Biochemie für Sportler IV

Biochemische Einführung Kohlenhydrate

Nachdem wir uns in den ersten Artikeln mit chemischen Grundlagen herumgeschlagen haben und abschließend in Teil 3 das Prinzip von Aminosäuren, Peptiden und Eiweiß aufschlüsselten, soll es in diesem Teil erst einmal mit Kohlenhydraten weitergehen. Im Gegensatz zu Eiweiß und Fetten existieren keine essentiellen Kohlenhydrate, was jedoch nicht bedeutet, dass der Körper diese nicht benötigt. Allein unser Gehirn verbraucht tagtäglich ca. 120 Gramm Kohlenhydrate. Unabhängig von der Intelligenz des Einzelnen. – Schauen wir uns diesen Stoff also genauer an.


Was sind Kohlenhydrate?

Kohlenhydrate werden vor allem von Pflanzen im Rahmen der Photosynthese (in riesigen Mengen) hergestellt und machen somit den überwiegenden Anteil der Biomasse der Erde aus. Grund genug also, mit diesem Energieträger zu beginnen, schließlich hat sich mit der Glykobiologie bereits ein eigener wissenschaftlicher Strang herausgebildet.
Während der Volksmund noch zwischen guten und schlechten Kohlenhydraten zu unterscheiden versucht, kennen die meisten Trainierenden vermutlich die Dreiteilung in Mono-, Di- und Polysaccharide.
Dies würde uns jedoch noch nicht weiterhelfen, wenn wir Kohlenhydrate systematisch in unserer bisherigen Erkenntnisse einbinden wollen. Daher zunächst etwas genauer:

Kohlenhydrate = Kohlenstoff + Wasser

Ein Kohlenhydrat besteht immer aus Kohlenstoff (C) und Wasser (H2O), so dass Kohlenhydrate chemisch allgemein mit Cn(H2O)n dargestellt werden können.

Das für den menschlichen Körper bedeutendste Kohlenhydrat ist die allseits bekannte Glukose, die chemisch als C6H12O6 oder gemäß unserer Vereinfachung mit C6(H2O)6 veranschaulicht werden kann.
In ► Teil 3 wurde die Oxidation von Alkoholen zu Aldehyden oder Ketonen dargestellt, womit wir bereits das Prinzip von Kohlenhydraten im chemischen Sinn kennengelernt hatten.

Kohlenhydrate stellen immer Aldehyde oder Ketone von Polyalkoholen dar.
In ► Teil 3 lernten wir ebenfalls, dass die Wertigkeit eines Alkohols etwas über die Anzahl der OH-Gruppen im Molekül aussagt. Wer genau aufgepasst hat, kann sich bereits denken, dass wir mindestens drei OH-Gruppen benötigen, um von einem Polyalkohol zu sprechen.

Der chemisch betrachtet einfachste Vertreter der Polyalkohole ist somit Glycerin. Wie das Aldehyd und das Keton jeweils heißen, wird jeder, der in ► Teil 3 aufgepasst hat, bereits selbst wissen:


Glyceral und Glyceron stellen die beiden einfachsten Zucker in der Chemie dar.

Zucker: eine neue Endung

Wie wir in ► Teil 3 bereits festgestellt haben, sind chemische Stoffe an der jeweiligen Endung zu erkennen. Für Zucker gilt die Endung -ose, so dass grundsätzlich von Aldosen und Ketosen gesprochen wird.
An dieser Stelle sein zudem noch die Präfixe D- oder L- erläutert, die dem ein oder anderen vielleicht schon einmal begegnet sind:

Das zweite C-Atom in Glyceral wird als Chiralitätszentrum bezeichnet. Je nachdem, ob die OH-Gruppe hier rechts (lat. Dexter) oder links (lat. laevus) angeordnet ist, ist es die D- oder L-Form des Kohlenhydrats.


Für die Praxis ist dies jedoch weniger von Bedeutung, da Kohlenhydrate in der Regel in der D-Form vorliegen. Beim Thema Aminosäuren und Protein spielt dieses dagegen eine bedeutendere Rolle. Das Prinzip ist aber auch dort dasselbe. Wenn man also auf seinem Whey einen Haufen von L-Aminosäuren findet, besagt dies lediglich etwas über die Anordnung der Atome am Chiralitätszentrum aus.
Ok, genug verwirrt. Kommen wir zu der (den meisten vertrauten) Dreiteilung.

Monosaccharide

Das Wort Saccharid hat seinen Ursprung im griechischen Begriff sakkharon, was übersetzt Zucker bedeutet. Saccharid ist also nur ein Synonym für Zucker.

Je nachdem, wie viele C-Atome im Monosaccharid vorliegen, werden Triosen, Tetrosen, Pentosen, Hexosen und so weiter in der Anzahl der C(H2O)-Bausteine unterschieden. Da im Stoffwechsel in der Regel Pentosen (5 C-Atome) und Hexosen (6-C-Atome) die größte Rolle spielen, soll dies nicht weiter aufgeschlüsselt werden.

An dieser Stelle ein kleiner Hinweis:

Fischer-Projektion

Wir haben in ► Teil 3 bereits festgestellt, dass in der Chemie Bezeichnungen international standardisiert sind. Ähnlich verhält es sich auch mit der Darstellung von von Kohlenhydraten und auch anderen Substanzen mit Chiralitätszentrum.

Bei diesen wird die sogenannte Fischer-Projektion genutzt, die vorgibt, dass die Moleküle in einer Linie von oben nach unten dargestellt werden und die am stärksten oxidierten (siehe ► Teil 3) C-Atome immer oben stehen.

Nun werden die C-Atome von oben nach unten durchgezählt, so dass die bereits in ► Teil 3 genutzten Nummerierungen nun klarer sein sollten.
Kohlenhydrate liegen jedoch praktisch nie in einer länglichen Kette vor, sondern verbinden ihre beiden Enden in Lösungen (und somit auch innerhalb der Zelle).

Als Ergebnis werden viele sicherlich schon entsprechende Waben als grafische Darstellung gesehen haben. Diese Verbindung wird Halbacetal genannt.
Währen wir bisher bereits die Abkürzungen D- und L- kennengelernt haben, kommen im Rahmen der Halbacetal-Bildung noch die Buchstaben α- und β- hinzu.

Dies sagt etwas über die räumliche Anordnung der Hydroxyl-Gruppe (OH) aus, was an dieser Stelle jedoch nicht unnötig detailliert dargestellt werden soll.


Wichtige Zucker, die man schon einmal gehört haben sollte, sind:
  • die Hexosen:
    • Glukose
    • Galaktose
    • Fruktose
  • die Pentosen:
    • Ribose
    • Desoxyribose
Die folgende Tabelle ist eine kleine Übersicht, wo diese am häufigsten Vorkommen:


Fruktose

Während Fett lange Zeit als Sündenbock für die gesundheitliche Entwicklung der westlichen Bevölkerung verantwortlich gemacht wurde, ist Fruktose nicht erst seit kurzem auf einem guten Weg, diese Position einzunehmen. Zu viel Fruktose in der Ernährung über Maissirup in verarbeiteten Lebensmitteln wird bei nicht wenigen Trainierenden inzwischen in einem Atemzug mit ungewünschtem Körperfett genannt.

In der Konsequenz verirrt sich der ein oder andere in der Kohlenhydratzusammensetzung seiner Gummibärchen, wenn es darum geht, ob diese nach dem Training konsumiert werden dürfen. – Zugegeben, hier werden gerade die Themen ungewünschtes Fett und erwünschter Insulinausstoß vermischt, jedoch ist Fruktose an und für sich nicht das kohlenhydratisierte Übel.

Ganz im Gegenteil stellt dieses Kohlenhydrat beispielsweise den Energielieferant für Spermien dar. Wer nicht nur mit Platzpatronen schießen will, sollte Fruktose also nicht gänzlich aus dem Ernährungsplan streichen.

Fruktose, die je nach Stoffwechsellage vom Körper sofort in Glukose umgewandelt wird, ist wie Glukose ein 6er-Zucker, bildet jedoch in der Regel einen 5er-Ring. Je nachdem wird daher auch der Begriff Fruktofuranose für den 5er-Ring und Fruktopyranose für den 6er-Ring genutzt.


In der Praxis kann dies am Honig erläutert werden: Dieser enthält β-D-Fruktopyranose, welche eine der süßesten bekannten chemischen Verbindungen ist. Erhitzt man β-D-Fruktopyranose entsteht β-D-Fruktofuranose, welche nicht annähernd so süß ist. Deswegen ist Teig, der mit Honig gesüßt wird, nach dem Backvorgang auch oftmals geschmacklich weniger süß. Grüße an Team Paleo.

Reaktion von Monosacchariden im menschlichen Körper

Zuckermoleküle sind bereits relativ komplex im Vergleich zu einzelnen Atomen. Entsprechend kann sich der Leser vermutlich denken, dass es eine Reihe an Reaktionen gibt, die ein Zuckermolekül durchlaufen kann.

Für den menschlichen Körper sind vor allem zwei Abläufe von Bedeutung:
  1. Redoxreaktion und
  2. Anlagerungen an Amino-Gruppen,
wobei wir uns an dieser Stelle zunächst nur die aus ► Teil 3 bekannte Redoxreaktion (Reduktion und Oxidation) anschauen werden.

Wir erinnern uns: Während die Oxidation der chemische Ausdruck für die Abgabe von Elektronen ist, stellt die Reduktion die entgegengesetzte Reaktion dar.
Bei der Reduktion des ersten C-Atoms in Glukose bzw. des zweiten C-Atoms in Fruktose entsteht der Zuckeralkohol Sorbit – auch Sorbitol genannt. Die Endung -ol weist, wie wir gelernt haben, auf einen Alkohol und damit die Carbonyl-Gruppe hin.
Auf diese Art und Weise kann unser Körper aus Fruktose Glukose herstellen, wie die Grafik noch einmal verdeutlicht.


Würde das erste C-Atom von Glukose dagegen eine Oxidation durchlaufen, würde ein O-Atom hinzugefügt werden und wir erhalten die funktionelle Gruppe COOH, also Carboxy-Gruppe. Es würde Glukonsäure entstehen.
Diese spielt vor allem bei Ausscheidungs- und Entgiftungsvorgängen der Leber eine Rolle. Zucker ist also keineswegs schlecht oder ähnliches.

Einen gewissen Teil benötigt der menschliche Körper daher selbst in der sogenannten Ketose, wobei eine 0-Gramm-Kohlenhydrat-Diät in der Praxis sowieso undenkbar ist, wenn man sich nicht lediglich von Eiklar und Butter ernährt. Selbst dann wäre man aber streng genommen nicht bei Zero Carbs.
Sollte man die Kohlenhydrate jedoch (dauerhaft) auf nahezu 0 herunterschrauben, wandelt der Körper glycogene Aminosäuren zu Kohlenhydraten, was jedoch relativ aufwändig ist, weshalb einige Autoren Kohlenhydrate als semi-essentiell bezeichnen.
Aber dazu in einem späteren Artikel mehr.

Disaccharide

Die für den Menschen wichtigsten Disaccharide sind:
  1. Saccharose
  2. Laktose
  3. Maltose
Disaccharide sind über die sogenannte O-glykosidische Bindung über ein Sauerstoffatom verbunden, wie in der Grafik am Beispiel von Saccharose = Glukose + Fruktose zu erkennen ist.


  • Saccharose wird in Pflanzen als Transportform der Kohlenhydrate und als lösliche Kohlenhydrat-Reserve genutzt.
  • Laktose, oder auch Milchzucker, ist dagegen ein Disaccharid aus Glukose und Galaktose. Während Muttermilch bis zu 7,5 % Laktose enthält, sind es in herkömmlicher Kuhmilch ca. 4,5 %.
  • Das dritte, wichtige Disaccharid ist Maltose, welches aus zwei Glukose-Molekülen besteht.
In diesem Zusammenhang begegnen wir (erneut) den Begriffen reduzierend und nichtreduzierend. Das bedeutet, dass bei einem reduzierenden Zucker eine freie Carbonyl-Gruppe (OH) existiert, die weiter oxidiert werden kann.

Ob ein Zucker reduzierend oder nichtreduzierend ist, hängt davon ab, an welchem C-Atom die Verbindung zwischen den Molekülen eingegangen wird.

Saccharose zählt zu den nichtreduzierenden Zuckern. Maltose und Laktose sind dagegen reduzierende Zucker.

Polysaccharide

Polysaccharide stellen Kohlenhydratketten aus mindestens 10 bis 20 (je nach Autor) Kohlenhydraten dar und haben die Endung -an. Diese können noch nach
  1. Homoglykane: lediglich eine Sorte von Monosacchariden
  2. und
  3. Heteroglykane:verschiedene Sorten von Monosacchariden
unterteilt werden, wobei wir Heteroglykane in diesem Artikel zunächst nicht weiter betrachten wollen.

Homoglykane

In der menschlichen Ernährung spielen vor allem 3 Homoglykane eine Rolle:
  1. Glykogen: die tierische Form der Glukosespeicherung im Körper
  2. Stärke: die pflanzliche Form der Glukospeicherung
  3. Zellulose: ebenfalls eine Glukosekette, die allerdings vom Menschen nicht gespaltet werden kann.
In diesem Zusammenhang (mal wieder) der Hinweis auf die von Veganern viel zitierten Gorillas:

Vegane Gorillas und Zellulose

Während der menschliche Körper für Disaccharide unabhängig von ihrer Verknüpfung die zur Spaltung notwendigen Enzyme im Darm besitzt, gilt dies nicht für Zellulose.

Gorillas (und auch andere Tiere wie Elefanten) besitzen hingegen nicht nur eine andere Darmstruktur, sondern auch andere Darmbakterien, die die Zellulose für diese Tiere aufspalten. Gleichzeitig sind die Darmbakterien Proteinlieferant, wodurch diese Tiere letztendlich ihre (große) Masse aufbauen.

Wenn man also keinen extrem verkürzten Dünndarm und einen sprichwörtlich tierischen Dickdarm besitzt, sollte man damit Aufhören sich aufgrund der Lebensmittelauswahl mit einem Silberrücken zu vergleichen. Das zeigt letztlich nur, dass man ziemlich im Nebel steht.
Für Menschen dient Zellulose daher in erster Linie als Ballaststoff, wobei die Bedeutung unterschiedlich kritisch in der Literatur gesehen wird. Dazu vielleicht in einem späteren Teil mehr.

Darüber hinaus der Vollständigkeit wegen noch der Hinweis, dass es im Jahr 2010 eine Untersuchung an Kindern in Burkina Faso gab. Diese haben traditionell eine deutlich ballaststoffreichere Ernährung und die Forscher konnten bei den afrikanischen Kindern eine andere Darmflora feststellen, als bei europäischen Kindern. Dieses Thema vielleicht in einem späteren Artikel noch einmal genauer.

Kurzer Ausblick: Der Blutzucker

In unserem Blut herrscht immer ein gewisser Blutzuckerspiegel. Würde dieser zu groß werden, spräche man von der Hyperglykämie, wird dieser zu niedrig, heißt dies Hypoglykämie. Beides ist potentiell gesundheitsschädigend, so dass der Normalwert für Glykose zwischen 70 und 110 mg / dl liegt.

Bodybuilder und Nierenversagen

Ein interessanter Punkt ist in diesem Zusammenhang die Arbeit der Niere. Auch diese bearbeitet Glukose, wobei der Zucker zunächst filtriert und dann wieder rückresorbiert wird. Ist nun jedoch zu viel Glukose im Blut, weil Insulin nicht mehr so wirkt, wie es soll, hat die Niere Probleme die Rückresorption schnell genug durchzuführen. Diese Schwelle liegt bei 180 mg / dl Glukose im Blut.

Aus diesem Grund ist Glukose im Urin unter normalen Umständen entweder ein Anzeichen für Diabetes oder Nierenversagen. Auf biochemische Einzelexperimente im (Hobby-)Bodybuilding soll an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden.
Im Rahmen der Kohlenhydratverstoffwechselung wird uns dies in einem späteren Teil erneut begegnen.

Zusammenfassung

Dies war zunächst ein grundlegender Einstieg zum Thema Kohlenhydrate, der bereits auf den ein oder anderen Punkt in ► Teil 3 hingewiesen hat, aber gleichzeitig auch bereits etwas in die Zukunft blicken ließ. Was sollten wir aus diesem Teil mitnehmen?
  1. Kohlenhydrate sind in Monosaccharide, Disaccharide und Polysaccharide zu unterteilen.
  2. Die Anordnung der OH-Gruppe sorgt für die Präfixe α- oder β- sowie D- oder L-.
  3. Kohlenhydrate sind generell nicht essentiell, werden vom Körper aber im Zweifelsfall hergestellt. Der gesunde Mensch hat immer einen Blutzuckerspiegel zwischen 70 und 110 mg / dl.
  4. Zellulose kann vom menschlichen Körper (aufgrund der Darmstruktur i.d.R.) nicht verwertet werden und dient als Ballaststoff.
Wie immer wird in Zukunft bei Bedarf auf diesen Artikel hingewiesen.
Nach diesem Einstieg wird sich der nächste Artikel mit Lipiden auseinandersetzen. Die für Verbraucher bekanntesten sind die Nahrungskette. Zusammen mit Protein und ein wenig Grundlagen zu Enzymen werden uns die Kohlenhydrate dann in einem späteren Artikel wieder detaillierter begegnen.

Literatur

  • Berg, Jeremy / Tymoczko, John / Stryer, Lubert (2014): Stryer Biochemie. Heidelberg: Springer Verlag.
  • Biesalski, Hans Konrad / Grimm, Peter (2011): Taschenatlas Ernährung.Stuttgart: Thieme Verlag
  • Horn, Florian (2012): Biochemie des Menschen. Das Lehrbuch für das Medizinstudium. Stuttgart: Thieme Verlag.
  • Koolmann, Jan / Röhm, Klaus-Heinrich (2009): Taschenatlas Biochemie des Menschen. Stuttgart: Thieme Verlag.
  • Löffler, Gerog / Heinrich, Peter / Petrides, Petro (2007): Biochemie & Pathobiochemie. Heidelberg: Springer.
  • Rehner, Getrud / Daniel, Hannelore (2010): Biochemie der Ernährung. Heidelberg: Spektrum Verlag.
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Bilder: Grafiken, soweit nicht selbst hergestellt, Wikipedia | Uwe Hermann | david pacey | danny O.

Hinweis: Der Autor dieses Artikels betreut Sportler bei ihrem individuellen Weg zum Erfolg und bietet ► Seminare im kleinen Kreis an. Weiteres erfährt man unter: ► become-fit.de oder schaut einfach auf seinem ► Youtube-Channel vorbei.

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