Das kleine Stoffwechsel 1x1 – Teil 1: Der Stoffwechsel der Kohlenhydrate (I) – Vom Teller zur Zelle

Überblick über die Stoffwechselrelevanten Kohlenhydrate:

Kohlenhydrate sind Stoffe, die aus Kohlenstoff und Wasser bestehen und besitzen, mit wenigen Ausnahmen, eine allgemeine Summenformel von Cn(H2O)n. Man unterscheidet bei Kohlenhydraten die Monosaccharide, Disaccharide und Polysaccharide. Hierbei stellen die Monosaccharide die sogenannten "Einfachzucker", Glukose, Fruktose und Galaktose dar. Sie sind sozusagen die Grundbausteine aller weiteren Kohlenhydrate. Egal ob Disaccharid oder Polysaccharid, sie alle werden aus den drei Monosacchariden aufgebaut.

Die wohl bekanntesten Disaccharide sind Saccharose oder auch als Haushaltszucker bekannt (Glukose+Fruktose), Laktose oder auch Milchzucker (Galaktose+Glukose) und Maltose (Glukose+Glukose). Wie der Name Di- also schon treffend aussagt, bestehen Disaccharide aus zwei Monosacchariden.

Polysaccharide wiederum bestehen aus jeder Menge Monosacchariden. Hier unterscheiden wir zum einen die Stärke, zum anderen das Glykogen (oft auch als tierische Stäarke bekannt). Beide werden rein aus Glukose aufgebaut und werden somit als Homoglykane bezeichnet. Saccharide,die aus verschiedenen Monosacchariden aufgebaut sind,nennt man dementsprechend Heteroglykane (z.B. Saccharose).

Was können unsere Zellen mit Kohlenhydraten anfangen?

Im folgenden Abschnitt soll kurz erklärt werden, was der menschliche Organismus mit Kohlenhydraten anfangen kann. Eine genauere Beschreibung folgt später im Artikel.

Generell gibt es verschiedene Wege, die die Glukose nach Eintritt in den Organismus einschlagen kann. Dabei ist es möglich Glukose abzubauen (Glykolyse), Glukose aufzubauen (Glukoneogenese) oder Glukose zu speichern (Glykogenaufbau). Einen weiteren, wichtigen Weg stellt der Pentosephosphatweg dar, der ebenfalls später genauer erläutert werden soll.

Aufnahme über die Verdauung

Bevor die Kohlenhydrate aktiv am Stoffwechselgeschehen teilnehmen können, müssen sie zuerst in den Körper gelangen und dort resorbiert, also aufgenommen werden. Dabei ist zu beachten, dass der Organismus lediglich Monosaccharide resorbieren kann, der Großteil der Kohlenhydratzufuhr über die Nahrung jedoch in Form von Di- und Polysacchariden vorliegt. Somit müssen die polymeren Kohlenhydrate im Zuge der Verdauung zunächst aufgespalten werden. Dies geschieht zunächst im Mund durch die Einwirkung der Speichelamylase und setzt sich im Dünndarm unter der Wirkung der Pankreasamylase fort. Es fallen verstärkt Maltose, Isomaltose und Glukose an. Die Glukose ist als Monosaccharid bereits bekannt. Maltose und Isomaltose sind Disaccharide aus jeweils zwei Glukose-Molekülen. Einziger Unterschied besteht in der Verknüpfung der Glukosemoleküle. Während Maltose eine α-1,4-Verknüpfung aufweist, ist Isomaltose über eine α-1,6-Verknüpfung verbunden. Doch was genau bedeutet das? Ganz einfach: Da Glukose in der Natur überwiegend in Ringform vorkommt (siehe Abbildung 1), bedeutet das nichts anderes, als dass die die erste Glukose an deren C1-Atom mit der zweiten Glukose am C4-Atom, bei Maltose bzw. C6-Atom bei Isomaltose über eine alpha-glykosidische Bindung verknüpft ist. Wenn es nun aber eine alpha-glykosidische Bindung gibt, muss es wohl auch eine beta-glykosidische Bindung geben. Und die gibt es auch. Auf die Erklärung der genauen Eigenschaft soll hier nicht näher eingegangen werden. Nur so viel: Den Enzymsatz zur Aufspaltung von ß-glykosidischen Verbindungen besitzt nicht jeder Mensch, bzw. nicht in vollem Umfang oder aber er geht nach dem Säuglingsalter verloren. Damit haben wir dann auch schon das Problem der Lactoseintoleranz geklärt! Lactose ist nämlich ein durch eine ß-glykosidisch verknüpftes Disaccharid aus Galaktose und Glukose. Kann die ß-glykosidische Verknüpfung nicht aufgespalten werden, kommt es zu den bekannten Nebenwirkungen der Lactoseintoleranz. Doch nun weiter zum eigentlichen Thema: der Aufnahme der Monosaccharide in den Organismus.

Glucose
Abb1: Quelle: biorama.ch/biblio/b20gfach/b35bchem/b10kh/img/kh050.gif
Glukose in Ringform


Um die nun vorliegenden Disaccharide Maltose und Isomaltose weiter zu Glukose abzubauen, denn wie schon angesprochen, nur Monosaccharide können resorbiert werden, stehen im Dünndarm spezifische membranständige Disaccharidasen zur Verfügung. Nun kann der, zugegeben, etwas komplizierte Transport durch die Darmzellen gestartet werden. Die Glukoseresorption erfolgt dabei natriumabhängig und sekundär-aktiv. Die Glukose wird dabei zunächst zusammen mit Natrium passiv (also ohne ATP-Verbrauch) in die Enterozyten aufgenommen. Das funktioniert aber nur solange, dass dieses Natrium an der basalen Seite wieder herausgeschleust wird, damit ein Gradient aufgebaut werden kann. Dieses Ausschleusen geschieht aktiv, also unter ATP-Verbrauch durch die Na+/K+-ATPase. Da dieser Vorgang nicht völlig ohne Energiefreisetzung abläuft, sondern sozusagen im zweiten Teil Energie benötigt, wird er als sekundär-aktiv bezeichnet.

Die Glukose befindet sich nun im Blut. Da alle Monosaccharide wasserlöslich sind, lösen sie sich auch gut im Blut und können hier problemlos transportiert werden. Natürlich können auch die anderen Monosaccharide vom Darmlumen aufgenommen werden. Dies sei allerdings nur der vollständigkeithalber erwähnt, da wir uns hier auf die Glukose beschränken wollen.

Würde die Glukose nun im Blut verweilen, hätten wir recht schnell ein größeres Problem. Unser Blutzuckerspiegel würde ins unermessliche Steigen. Daher muss die Glukose aus dem Blut entfernt werden. Schließlich findet sie hier in zu großen Mengen auch keine Verwendung, da die meisten Stoffwechselreaktionen im Zytoplasma, also im Zellinneren, verschiedener Zellen stattfinden. Also wird die Glukose über das Blut zunächst zu den Zielzellen transportiert. Da Zellen aber eine Fettschicht in deren Membran enthalten, wäre es rein theoretisch für die wasserlösliche Glukose zwar kein unüberwindbares Problem, stellt aber dennoch eine Schwierigkeit dar.

Doch genau für dieses Problem stellt uns unser Organismus eine Lösung parat: Die Glukosetransporter, die die Hexosen (6-fach-Zucker = 6-C-Atome; z.B. Glukose) entsprechend einem Konzentrationsgefälle in die Zelle hineintransportieren. Damit ein solches Konzentrationsgefälle überhaupt möglich ist, ist es erforderlich, dass die Konzentration an Glukose in der Zelle niedrig gehalten wird, damit ständig neues mit dem Konzentrationsgefälle von außen nachfließen kann. Hierbei bedient sich unser Körper, wie so oft, eines kleinen Tricks: Ist die Glukose im Zellinneren angelangt, wird sie mittels einer Phosphorylierung sofort aus dem Gleichgewicht genommen. Das bedeutet, dass die Glukose nach Eintritt in die Zelle an ihr sechstes C-Atom ein Phosphat angehängt bekommt. Die Glukose nennt sich jetzt Glukose-6-Phosphat und kann nicht mehr aus der Zelle entkommen. Somit wurden zwei Fliegen mit einer Klatsche geschlagen: Einerseits bleibt das Konzentrationsgefälle zwischen Blut und Zelle bestehen und es kann weiterhin Glukose in die Zelle gelangen, andererseits wird die Glukose in der Zelle festgehalten und kann nicht mehr ins Blut entkommen, zumindest dann nicht, wenn von einer Muskelzelle die Rede ist. Um die Glukose wieder vom Phosphat zu befreien, um sie somit zurück ins Blut zu schleusen, ist ein Enzym namens Glukose-6-Phosphatase notwendig, welches die Muskelzelle nicht besitzt. Somit dürfte auch klar sein, warum Muskelglykogen nicht zur Stabilisierung des Blutzuckerspiegels geeignet ist. Das gilt selbst bei extremem Abfall des Blutzuckerspiegels, also einer schweren Hypoglykämie. Somit ist es also theoretisch möglich an einer Unterzuckerung zu sterben, obwohl die Muskelglykogenspeicher noch mehr als genug Glukose zur Stelle hätten.

Nun stellt sich vielleicht bei einigen Frage, wo denn das Insulin bleibt? Ist nicht das Insulin für das Einschleusen der Glukose in die Zellen verantwortlich, wie immer behauptet wird? Doch. Der Schlüssel hierzu liegt in den Glukosetransportern.

Die Glukosetransporter

Es gibt verschiedene Glukose-Transporter (GLUTs) in unserem Körper, die verschiedene Eigenschaften besitzen. Der wohl bekannteste Glukose-Transporter ist der GLUT-4, der sowohl auf Fett- als auch Muskelzellen zu finden ist. Doch auch hier, wo es einen GLUT-4 gibt, muss es unweigerlich auch mindestens die GLUTs 1-3 geben. Diese ersten vier wollen wir uns zu Beginn näher anschauen:

GLUT-1 und 3:

Diese Glukose-Transporter sind darauf spezialisiert, die Grundversorgung der glukoseabhängigen Organe und Gewebe zu sichern. Dazu gehören Gehirn und Erytrozyten (rote Blutkörperchen). GLUT-1 und GLUT-3 arbeiten und funktionieren insulinunabhängig und haben eine hohe Affinität für Glukose.

GLUT-2:

Der GLUT-2 befindet sich ebenfalls auf verschiedenen Geweben und Organen auf die ebenfalls hier nicht weiter eingegangen werden soll. Dennoch ist uns der GLUT-2 bisher schon begegnet, nämlich auf der basolateralen Seite (zur Blutseite gelegen) der intestinalen Mukosa (Dünndarm). Dort schleust er die Glukose aus den Zellen hinaus in die Pfortader. Der GLUT-2 ist ebenfalls insulinunabhängig, besitzt aber zwecks Reaktion auf schwankende Blutzuckerwerte nur eine geringe Affinität für Glukose.

GLUT-4:

Wie bereits erwähnt, finden sich die GLUT-4 in Fettzellen und Muskelzellen wieder und sind insulinabhängig. Das kann man sich dann in etwa so vorstellen:

Befindet sich viel Glukose im Blut, reagiert der Körper mit einer Insulinausschüttung, um den Blutzuckerspiegel wieder in den Normbereich zu drücken. Das ausgeschüttete Insulin bindet nun an den Insulinrezeptoren der Fett- und Muskelzellen. Über eine Second-Messanger-Cascade werden GLUT-4 Vesikel im inneren der Zelle aufgefordert, mit der Zellmembran zu verschmelzen, damit die Glukose in die Zelle eindringen kann und dort, wie oben besprochen, phosphoryliert werden kann.

Bildlich gesprochen, könnte man sagen, das Insulin klopft an der Zelle an, gibt die Information über die Aufnahme von Glukose an einen Boten weiter, der wiederum gibt diese Information an die GLUT-4 weiter, welche dann mit der Zellmembran verschmelzen und neue Türen für die Glukose öffnen.

Im nächsten Teil des Artikels werden wir uns genauer mit der Phosphorylierung der Glukose beschäftigen, sowie die Wege des Glukose-6-Phosphates betrachten und mit der Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels beginnen, während in Teil drei der erste Teil der Glykolyse behandelt werden soll.

Teil 2 findet ihr hier.

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