Biochemie für Sportler X

Glykogen, Fruktose und die Leber: Kohlenhydrate für alle

Nachdem wir uns im letzten Teil die grundlegende Verstoffwechselung von Kohlenhydraten anschauten, schließen wir das Thema im Rahmen dieses Artikels vorerst ab. Bevor wir uns aber mit den Fetten auseinandersetzen, wird sich alles noch einmal um Glykogen, Fruktose und die Leber drehen. Dieser Artikel ist eventuell etwas anspruchsvoller, allerdings sollten die hier aufgeführten Punkte der Vollständigkeit wegen nicht vernachlässigt werden.

Bisher sprachen wir die gesamte Zeit von einzelnen Glukose-Molekülen und betrachteten deren Verstoffwechselung. Im Körper ist Glukose jedoch in Form von ► Glykogen gespeichert, das aus 50.000 (!) Glykose-Molekülen besteht. Der Grund liegt darin, dass einzelne Glykose-Moleküle zu viel Wasser in die Zelle ziehen würden und die Zellen ganz einfach platzen würden.
Wie groß die Glykogen-Speicher sind, ist vom Trainingszustand und der Muskelmasse abhängig. In der Literatur findet man daher Angaben von 250 bis 750 Gramm Glykogen, wobei ca. 100 bis 150 weitere Gramm allein in der Leber gespeichert sind.
Darüber hinaus hat die Niere kleine Speicher, die vernachlässigt werden können und auch im Blut sind nur 5 Gramm Glykose gelöst. Im gesamten Blut!

Für den Körper stehen allerdings lediglich die Leberspeicher zur Verfügung, da die Muskeln, wie im ► letzten Teil bereits beschrieben, egoistische Arschlöscher sind, die nichts rausrücken. Da auf der anderen Seite Gehirn und rote Blutkörperchen 150 bis 160 Gramm Kohlenhydrate pro Tag verbrauchen, egal wie der eigene Tagesablauf aussieht, würden die Leberspeicher sich nach 24 Stunden ohne Kohlenhydratzufuhr komplett leeren. Darüber hinaus verbrauchen das Rücken- sowie Nebennierenmark ebenfalls Kohlenhydrate.

Selbst wenn man nicht sportlich aktiv ist, werden über den Tag noch weitere Kohlenhydrate verbraucht, so dass gut 200 Gramm durchaus als Low Carb Grenze in der Praxis betitelt werden könnten, wie ► hier auch noch einmal ausführlicher aufgeschlüsselt wurde.

200 Gramm Kohlenhydrate Low Carb?

Der ein oder andere wird vielleicht meinen, dass 200 Gramm eine Recht hohe Grenze für Low Carb sei. Das wird in erster Linie daran liegen, dass wir in der Regel mit Kohlenhydratgrenzen im zweistelligen Bereich sozialisiert wurden. Die meisten Diät-Konzepte, die sich eine geringe Kohlenhydratanzahl auf die Fahne schreiben, setzen also eine relativ radikale Grenze.

Wenn man überlegt, dass 200 Gramm Kohlenhydrate knapp 800 kcal entsprechen und Otto-Normal-Verbraucher kaum 100 Gramm Protein täglich zu sich nimmt, wären wir bei 1200 kcal. Selbst bei weiteren 100 Gramm Fett am Tag würde unser Otto-Normal-Verbraucher bei grob 2100 kcal landen. Würde dies der Realität entsprechen, gäbe es kein Übergewichtsproblem in Deutschland.

Nicht missverstehen: Nicht Kohlenhydrate, sondern falscher Lifestyle und zu viel Kalorien führen zu einem ungewollten Bauchumfang. Die Wirklichkeit sieht in Deutschland gemäß aktueller Studienlage so aus, dass durchschnittlich 40 – 50 % der Energiezufuhr aus Kohlenhydraten stammt. Selbst bei einer 2100-kcal-Diät wären dies knapp 260 Gramm Kohlenhydrate. Auf Kosten der anderen Energieträger.

Dieser kleine Einschub sollte nur noch einmal mit Begriffsverwirrungen aufräumen. Wir merken uns: 200 Gramm Kohlenhydrate am Tag sind in der Regel eine gute Kohlenhydratbasis, um abwechslungsreich, balaststoff- und mikronährstoffreich zu essen.

Der Glykogen-Stoffwechsel

Wenn Kohlenhydrate als Energieträger genutzt werden sollen, werden Glukose-Moleküle schrittweise aus dem Glykogen-Molekül abgespalten und können, wie im ► letzten Teil dargestellt, von der Zelle genutzt werden.

Vom Glykogen-Mokekül bis zur Glukose-Verstoffwechselung sind es in Wirklichkeit ein paar Zwischenschritte, die wir aber der Einfachheit wegen nicht weiter betrachten wollen.

Auf hormonelle Prozesse, die Einfluss auf die Kohlenhydratspeicher im Körper haben, wollen wir an dieser Stelle ebenfalls noch nicht ausführlicher eingehen, werden uns damit allerdings in einem späteren Artikel noch beschäftigen.

Der Fruktose-Stoffwechsel

Bisher haben wir die gesamte Zeit lediglich von Glukose gesprochen, allerdings wissen wir nicht erst seit der ► biochemischen Einführung in die Kohlenhydrate, dass Fruchtzucker ein weiteres, bedeutendes Monosaccharid ist:

Mit Hilfe der GLUT-5 gelangt Fruktose im Rahmen der ► Verdauung in die Dünndarmzellen. Von dort aus wird die Fruktose mittels GLUT-2 über die Pfortader in die Leber transportiert und wird dort zu einem Zwischenprodukt der Glykolyse verstoffwechselt, das genauso abgebaut wird, als ob dieses ursprünglich aus der Glukose stammte.

Der kleine Rest Fruktose, der nicht von der Leber verstoffwechselt wird, gelangt ins Blut und dann ebenfalls mittels GLUT-5 in die Zellen und wird wie auch in der Leber zu einem Zwischenprodukt der Glykolyse verarbeitet, um zu Pyruvat zu werden.
Für die Kohlenhydratverstoffwechselung (Glykolyse) ist es prinzipiell egal, ob Glukose oder Fruktose als Ausgangsstoff zur Verfügung stehen. Beide liefern auf diesem Weg, wie im ► letzten Teil gezeigt, 2 ATP pro Molekül.
Das größere Problem stellt in der Praxis im Einzelfall die Aufnahmefähigkeit des Körpers dar.

Pro Tag können auch gesunde Menschen lediglich 15 bis 50 Gramm isolierte Fruktose aufnehmen. Der Rest würde im Dickdarm landen, wo je nach Bakterienkultur bei zu großen Mengen Durchfall oder andere unerwünschte Nebenwirkungen entstehen können.

Das bedeutet nun nicht, dass Sportler Angst haben müssten, ihre Banane nach dem Training zu essen:
  1. Auch wenn Fruktose als Fruchtzucker bezeichnet wird, bestehen die Kohlenhydrate in Obst und Gemüse nicht nur aus Fruktose! Das meiste Obst hat weniger als 5 Gramm Fruktose auf 100 Gramm, so dass gesunde Menschen übermäßig große Mengen essen müssten, um Probleme zu bekommen.
  2. Der andere wichtige Punkt ist die verbesserte Aufnahmefähigkeit von Fruktose, wenn gleichzeitig Glukose zugeführt wird. Bei einem Verhältnis von 1:1 stellt die Aufnahme von Fruktose für gesunde Menschen kein Problem dar. Andernfalls wäre Honig ein beliebtes Abführmittel.
Das größere Problem dürfte in diesem Zusammenhang versteckte Fruktose sein, die in verarbeiteten Lebensmitteln in Form von Fruktose als Süßungsmittel oder Sirups enthalten ist. Ein weiterer Grund, dass man auf möglichst unverarbeitete Lebensmittel zurückgreifen sollte, deren Zubereitung man selbst steuern kann.

In normalen Mengen ist Fruktose also für gesunde (und sportlich aktive) Menschen kein Problem.

Fruktose und Blutzucker

Oftmals wird angeführt, dass Fruktose keinen Einfluss auf den Blutzucker habe, was in dieser Form falsch ist. Viel mehr ist dieser mit einem Wert von 23 sehr gering. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Umwandlung in der Leber Zeit benötigt und die Abgabe der Kohlenhydrate an den Körper nur langsam vonstattengeht.

Der Galaktose-Stoffwechsel

Nachdem im letzten Artikel bereits der Glukose-Stoffwechsel ausführlicher beschrieben wurde und Fruktose ebenfalls bereits thematisiert wurde, ein paar Wort zu Galaktose, das der Mensch in erster Linie in Form des Disaccharids ► Laktose (Milchzucker) aufnimmt:

Nach der Spaltung der Laktose im Dünndarm durch das ► Enzym Laktase in Galaktose und Glukose gelangen auch die Galaktose-Moleküle über Pfortader mittels GLUT-2 und GLUT-3 in die Leber.

Dort wird die Galaktose entweder zur Erstellung von Glykoproteinen genutzt oder zu Glukose-1-Phosphat umgewandelt, das dem Glykogen-Aufbau dient. – Steht dem Körper über die Nahrung keine Galaktose zur Verfügung, wird diese aus Glukose synthetisiert, um für Glykoproteine zur Verfügung zu stehen.

Viel komplizierter wollen wir es uns an dieser Stelle auch gar nicht machen.


Die Leber: Verteiler der Kohlenhydrate

Die Leber wurde bereits als wichtiges Organ im Zusammenhang mit dem Kohlenhydratstoffwechsel genannt, weshalb dieser Punkt ein wenig ausgeweitet werden soll, um die Abläufe im Körper zu verstehen:

Generell unterliegt unser Körper starken Schwankungen, was die Nährstoffzufuhr betrifft. Schlafen oder selbst gewählte Hungerphasen wie IF aus der einen Seite steht (mehr oder weniger hochwertige) Nahrungsaufnahme auf der anderen Seite gegenüber. Dass der Verbrauch (durch körperliche Aktivität) sich nicht nach dieser Nahrungszufuhr richtet bzw. richten muss, erleben wir alle täglich.
Niemand stirbt, nur weil er in der letzten Stunde vor einer intensiven Trainingseinheit keine Kohlenhydrate mehr zu sich genommen hat.
Nein, wirklich nicht.

Einer der Hauptgründe, dass unser Körper sich insgesamt in der Regel in einem gut versorgten Gleichgewicht befindet, ist unsere Leber, die an unzähligen Verteilungsprozessen beteiligt ist. Im Rahmen dieses Artikels interessieren uns dabei in erster Linie die bereits dargestellte Speicherung von Glykogen und die Neubildung von Kohlenhydraten in Form der Glukoneogenese (zu der außer der Leber nur die Niere in begrenzten Maße fähig ist).
Gemäß Rehner und Daniel kann der Körper mittels Glukoneogenese bis zu 200 Gramm weiterer Glukose pro Tag produzieren, die dem Stoffwechsel von Leber, Muskeln, Fettgewebe und anderem Gewebe zur Verfügung stehen, wenn keine Kohlenhydrate über die Nahrung zugeführt werden.
Als Ausgangsstoffe nutzt die Leber dazu
  • Laktat
  • Glycerin (aus dem Fettstoffwechsel) und
  • glykogene Aminosäuren (vor allem Alanin).
Die letzten beiden Substrate werden wir uns in folgenden Artikeln genauer anschauen. Den grundlegenden Ablauf wollen wir uns aber heute bereits anschauen.
Neben der Leber ist auch die Niere zur Glykoneogenese im Stande. Die Niere nutzt diesen Vorgang zum einen zum Ausgleich des Säure-Basen-Haushaltes (dazu in einem späteren Teil mehr), kann bei starken Hungerzeiten aber auch einen Beitrag zum Blutzuckerspiegel leisten.

Horn führt darüber hinaus den Dünndarm auf: Dieser leitet die Glykoneogenese in geringem Maße ein, wenn mit einem Mal eine sehr große Anzahl an Nährstoffen auftreten.

In der Praxis ist jedoch in erster Linie die Glykoneogenese der Leber von Bedeutung.

Die Glukoneogenese: Wie der Körper selber Kohlenhydrate produziert

Kohlenhydrate sind zwar nicht in der Hinsicht essentiell, dass sie über die Nahrung aufgenommen werden müssten, aber selbst nach einer Eingewöhnungsphase, in der das Gehirn lernt bis zu 80 % der Energie aus Ketonkörpern zu beziehen, benötigen wir in jedem Fall täglich noch ca. 30 Gramm für die roten Blutkörperchen.
Aus diesem Grund ist der Körper dazu in der Lage, Kohlenhydrate selbst herzustellen. Doch dieser Prozess kostet Energie!
Generell findet die Herstellung der Kohlenhydrate in umgekehrter Reihenfolge wie der Abbau statt, der im ► vorherigen Teil angesprochen wurde. Dabei lernten wir bereits, dass drei Schritte so energieaufwändig sind, dass ► Enzyme daran beteiligt sind. Ähnlich ist es auch beim entgegengesetzten Prozess.

Dieses Mal sind jedoch vier Enzyme für jeweils unumkehrbare Prozesse notwendig, so dass die Herstellung von Glukose keine simple Spiegelung des Abbaus ist:
  1. Als erstes wird Pyruvat, das wir als Abbauergebnis kennenlernten, in den Mitochondrien mittels Pyruvat-Carboxylase zu Oxalacetat umgewandelt. Dies kostet 1 ATP und benötigt außerdem Biotin (Vitamin H bzw. Vitamin B7), das in der Regel genügend zur Verfügung stehen sollte.
  2. Die weitere Reaktion findet im Zytoplasma statt. Hier stellt Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase das Enzym dar, das aus Oxalacetat Phosphoenolpyruvat herstellt.
  3. Die dritte Reaktion, die entsprechend aufwendig ist, ist die Umwandlung von Fruktose-1,6-Bisphosphat zu Fruktose-6-Phosphat, wofür Fruktose-1,6-Bisphosphatase benötigt wird.
  4. Als viertes steht schließlich die Umwandlung von Glukose-6-Phosphat zu Glukose mittels Glukose-6-Phosphatase.
Liest sich alles sehr kompliziert, deshalb noch einmal ein paar Erläuterungen.
Glukose-6-Phosphatase ist essentiell für die Produktion von Kohlenhydraten und ist beispielsweise nicht in den Muskelzellen vorhanden, weshalb diese ihre Kohlenhydratspeicher nicht allein wieder auffüllen können.
Die grünen Begriffe stellen die jeweils beteiligten Enzyme dar, wobei die bedeutsamen vier genannten Vertreter noch einmal entsprechend mittels Kästchen markiert sind.

Foto: Wikipedia.org - eigene Änderungen / CC BY SA

Wir erinnern uns, dass bei der Umwandlung von einem Molekül Glukose zu zwei Molekülen Pyruvat 2 ATP gewonnen werden. Die Glukoneogenese von Glukose aus Pyruvat kostet jedoch insgesamt 4 ATP und 2 GTP (Guanosintriphosphat), das energetisch grob mit ATP gleichgesetzt werden kann.
Würde dieses neu gebildete Glukose-Molekül nun also abgebaut werden, bedeutet dies für den Körper unterm Strich einen Verlust von 4 ATP.
Je nachdem, welchen Ausgangsstoff zur Neubildung der Kohlenhydrate zur Verfügung stand, kann der Körper jeweils 2 (bei der Verstoffwechselung von Aminosäuren) bzw. 4 (bei der Verstoffwechselung von Glycerin) ATP sparen, so dass die Glykoneogenese im besten Fall eine Plus-Minus-Null-Rechnung wird.

Zusammenfassung

Das war für den ein oder anderen sicherlich eine ganze Menge Input, auch wenn die Abläufe im Rahmen dieser Serie bereits auf die wichtigsten Grundlagen beschränkt wurden.

Der Einzelne sollte sich nicht von den Begrifflichkeiten irritieren lassen. In ► Teil 3 lernten wir bereits, dass in der Chemie generell das Sprichwort Nomen est omen! seine Gültigkeit hat, so dass kleine Silbenveränderungen die Bedeutung des jeweiligen Wortes ändern, uns aber gleichzeitig verdeutlichen, in welchem Zusammenhang die jeweiligen Stoffe zu sehen sind.

In späteren Teilen wird das hier gelegte Grundwissen schließlich für die Abläufe beim Training und der Regeneration von Bedeutung sein, weshalb wir bei Bedarf immer wieder hierauf verweisen werden.

Was sollte wir als aus diesem Teil mitnehmen?
  1. Fruktose wird in der Leber dem Kohlenhydratstoffwechsel zugeführt und stellt in normalen Mengen kein Problem dar.
  2. Der Körper speichert Kohlenhydrate in Form von Glykogen, wobei die Leber ca. 100 – 150 Gramm als Reserve für den Organismus speichern kann.
  3. Die Leber stellt bis zu 200 Gramm Kohlenhydrate selbst her, wenn diese über die Nahrung nicht zugeführt werden.
Wie wir sehen, im Kern also gar nicht so kompliziert.
Im nächsten Artikel werden wir erneut den Lipiden begegnen und uns den Fett-Stoffwechsel biochemisch genauer anschauen.

Hinweis: Der Autor dieses Artikels betreut Sportler auf 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.

Quellen

  • Berg, Jeremy / Tymoczko, John / Stryer, Lubert (2014): Stryer Biochemie. Heidelberg: Springer Verlag.
  • Horn, Florian (2012): Biochemie des Menschen. Das Lehrbuch für das Medizinstudium. Stuttgart: Thieme Verlag.
  • Kirchner, Hanni / Mühlhäußer, Julia (2009): Biochemie. Urban & Fischer: München.
  • Koolmann, Jan / Röhm, Klaus-Heinrich (2009): Taschenatlas Biochemie des Menschen. Stuttgart: Thieme Verlag.
  • Leitzmann, Claus / Müller, Claus / Michel, Petra / Brehme, Ute / Triebel, Thamar / Hahn, Andreas / Laube, Heinrich (2009): Ernährung in Prävention und Therapie. Hippokrates Verlag: Stuttgart.
  • Rehner, Getrud / Daniel, Hannelore (2010): Biochemie der Ernährung. Heidelberg: Spektrum Verlag.
  • Ströhle, Alexander (2009): Rück- und Seitenblicke im Zeitalter der Ernährungsver(w)irrung. Köln: Ralf Reglin Verlag.
  • Wührer, Klaus (2015): Prophylaxe und Therapie durch Artgerechte Ernährung. Caveman Verlag: Ortenburg.

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