Biochemie für Sportler IX

Wie Kohlenhydrate dem Körper Energie geben

Nachdem wir bisher die chemischen Grundlagen der Energieträger klärten und bereits erste Einblicke in die Verdauung bekamen, wollen wir uns in diesem und dem nächsten Teil die Abläufe des Abbaus (Glukolyse), des Aufbaus (Glukoneogenese) und der Speicherung (als Glykogen) von Kohlenhydraten im Körper anschauen.

GLUT-Transporter: Die Reiseführer für Kohlenhydrate

In ► Teil 5 lernten wir, dass eine Zelle aus einer doppelten Fettschicht besteht, damit Flüssigkeit (und mit ihr darin gelöste Stoffe) nicht unkontrolliert aus der Zelle heraustreten oder hineingelangen kann. Dass es Pforten gibt, wurde ebenfalls bereits angesprochen, doch durch diese können (Nähr-)Stoffe nicht ohne weiteres ins Innere gelangen.
Für Kohlenhydrate ist die Zellmembran nicht generell undurchlässig, jedoch hinderlich, so dass spezielle Glukose-Transporter (GLUTs) für die entsprechende Kohlenhydratverschiebung sorgen.
Dabei gibt es verschiedene Formen dieser GLUTs, die dem ein oder anderen sicherlich schon in diversen Artikeln zum Thema Ernährung aufgefallen waren.

Es kann zwischen folgenden GLUTs unterschieden werden:
  • GLUT-1 und -3 sind Transporter, die insulinunabhängig agieren können, da diese unter anderem das Gehirn und die roten Blutkörperchen (Erythrozyten) mit Kohlenhydraten versorgen. Würde man hier jedes Mal ein Insulinpeak benötigen, würde der Zombie-Modus, den einige morgens ohne ihre Kanne Kaffee empfinden, tatsächlich Realität werden, da unserem Hirn über Nacht ohne ständiges Insulinpeak die Kohlenhydrate ausgegangen wären.
  • GLUT-2 ist auf der Leber, den ß-Zellen der Bauchspeicheldrüse und der zur Blutseite liegenden Wand der Darmschleimhaut zu finden. Diese insulinunabhängigen Transporter sorgen für einen ausgeglichenen Blutzuckerspiegel im Körper.
  • GLUT-4 befindet sich in Fett- und Muskelzellen und ist insulinabhängig. Das bedeutet, dieser Transporter kann erst dann Glukose in den Muskeln speichern, wenn der Insulinspiegel angestiegen ist. Dazu weiter unten gleich noch ein paar Anmerkungen.
Insgesamt sind 14 verschiedene GLU-Transporter zu unterscheiden. Im Rahmen von Artikeln zum Thema Ernährung ist noch der GLUT-5 interessant, der für den Transport von Fruktose verantwortlich ist und sich in erster Linie im Dünndarm befindet. (Bei der Entdeckung wurde GLUT-5 zunächst als Glukose-Transporter beschrieben. Es stellte sich erst später heraus, dass es sich dabei um einen Fruktose-Transporter handelt, der Name blieb jedoch.)

GLUT-4: Schnelle Carbs nach dem Training notwendig?

Klickt man sich durch Diskussionen im Internet, so haben (Hobby-)Bodybuilder ein geradezu bizarres Verhältnis zu Kohlenhydraten. Während die möglichst häufige Einnahme von langkettigen Kohlenhydraten für geringe Insulinanstiege gepredigt wird, kann die Menge an schnellen Kohlenhydraten im Postworkout-Shake nicht groß genug sein.

Dies ist vermutlich auf ein typisches Bodybuilding-Phänomen zurückzuführen, dass sich zu sehr auf einzelne, grundlegend richtige Gedanken fokussiert und das große Ganze vergessen lässt.

Die insulinabhängige Tätigkeit der GLUT-4 Transporter bedeutet, wie sicherlich verstanden wurde, dass ein Anstieg des Blutzuckers notwendig ist, damit mit Hilfe des Hormons Insulin Kohlenhydrate aus dem Blut in den Muskeln gespeichert werden können. Im Gegensatz zum Hirn, was für eine Unterzuckerung sorgen kann, bleiben die Kohlenhydratspeicher der Muskeln einfach leer, solang nicht entsprechend Kohlenhydrate über die Nahrung nachgeführt werden, die für den entsprechenden Insulinanstieg sorgen.

Die angesprochene Unterzuckerung wird darüber hinaus mit einfachem Krafttraining praktisch nicht erreichbar sein, sondern benötigt selbst auf nüchternem Magen dauerhafte Belastungen, die deutlich über die Trainingszeiten der üblichen Fitnessstudiobesucher hinaus gehen, wenn diese sich nicht stundenlang auf den Cardiogeräten aufhalten. – Gerade Personen, die abends noch gegessen haben und morgens dann auf nüchternem Magen trainieren, werden genügend Carbs im Tank haben.

Dennoch verbraucht Hanteltraining natürlich Kohlenhydrate in der Muskulatur. Fitnesssportler neigen nun zu (zum Teil) immens hohen Mengen an Kohlenhydraten in ihren Shakes nach dem Training, um die Glykogenspeicher der Muskeln zu füllen und mit Hilfe des Insulins Aminosäuren in die Muskulatur zu spülen.

Damit dies möglichst schnell geschieht, wird nach dem Training zu Traubenzucker (Glukose) oder anderen Kohlenhydratpulvern aus bunten Dosen gegriffen. Würden normale Lebensmittel praktisch genauso zielführend sein? Mit Sicherheit, auch wenn Maltodextrin als Pulver zugegeben praktisch ist.

Die Grafik zeigt die Insulinkurven verschiedener Lebensmittel. Glukose entspricht dem Glykämischen Index (GI) von 100, während Weißbrot einen GI von ca. 73 besitzt. Beide Kohlenhydratquellen führen zu einem zielführenden Anstieg des Blutzuckerspiegels und lassen diesen nach ca. 90 Minuten wieder auf dasselbe Niveau fallen.

Bild: Ströhle 2009: 47

Selbst Trainierende, die Angst um ihr anaboles Fenster haben, können beruhigt sein, dass die Proteinsynthese ca. 3 Stunden nach Abschluss der intensiven Trainingsbelastung deutlich erhöht (und auch danach nicht beendet) ist. Selbst wenn also der Aminosäurenpool der Leber theoretisch leer wäre, was er nicht ist, kommt es nicht auf jede Sekunde an.

Da in der Praxis viele weitere Faktoren für die ersehnten Muskelzuwächse mitverantwortlich sind, gibt es praktisch keinen Grund, seine Kohlenhydrate aus großen Mengen mikronährstoffarmer Quellen zu ziehen.

Der Vollständigkeit wegen der Hinweis, dass Kartoffeln, je nach Zubereitungsform, einen unterschiedlich großen GI haben können.
Doch was genau passiert mit den Kohlenhydraten in den (Muskel-)Zellen überhaupt? Um dies zu beantworten, muss die sogenannte Glykolyse genauer betrachtet werden.

Glykolyse: Verbrauch der Kohlenhydrate in den Zellen

Damit Glukose zur Energiegewinnung genutzt wird, kann der Körper diese in zehn Schritten zu Pyruvat umwandeln. Wichtige Zwischenprodukte, die immer wieder von Bedeutung sind, sind Glukose-6-Phosphat (in diesem Zustand kann die Glukose die Zelle nicht mehr verlassen) und Fruktose-6-Phosphat.

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

Dieser Umwandlungsvorgang wird als Glykolyse bezeichnet und liefert, wenn er im Zytosol stattfindet, gerade einmal 2 ATP. Nicht sonderlich viel, aber die Grundlage unserer Existenz.
Zytosol ist die Zellflüssigkeit, die von der Zellmembran umschlossen wird.
Der genaue Ablauf ist für uns an dieser Stelle nicht weiter interessant und soll daher nicht unnötig verwirren. Drei Schritte kosten jedoch enorme Energie. Wie wir in ► Teil 8 lernten, nutzt der Körper für solche Fälle Enzyme, um die chemische Reaktion dennoch ablaufen lassen zu können. Im Detail handelt es sich dabei um
  1. die Umwandlung von Glukose zu Glukose-6-Phosphat mittels Hexokinase (Schritt 1 zu Schritt 2 in der Grafik)
  2. die Umwandlung von Fruktose-6-Phosphat zu Fruktose-1,6-Bisphosphat durch Phosphofruktokinase (Schritt 3 zu Schritt 4 in der Grafik)
  3. die Umwandlung von Phosphoenolpyruvat zu Pyruvat mittels Pyruvat-Kinase (Schritt 9 zu Schritt 10 in der Grafik).
Die in diesem Fall beteiligten Enzyme enden alle mit dem Wort Kinase, da sie Phosphat-Reste an das Molekül anbringen, wie in der Grafik erkennbar ist.
Ob und wie schnell die Glykolyse verläuft, hängt also von der Enzym-Tätigkeit ab.

Wir sollten uns für heute merken, dass aus einem Molekül Glukose im Rahmen der Glykolyse 2 Moleküle Pyruvat entstehen.

Was passiert nun also mit dem Pyruvat? Das hängt davon ab, ob wir von aerober oder anaerober Energiegewinnung ausgehen.

Aerobe vs. Anaerobe Energiegewinnung

In der Box oben wurde bereits angesprochen, dass die Kohlenhydratspeicher nicht von ein paar Curls für die Girls so stark geleert werden, dass wir Angst vor einer Unterzuckerung haben müssten. Der Grund hierfür ist, dass der Körper generell zwei Zustände der Energiegewinnung kennt:
  1. aerob, also unter dem Vorhandensein von genügend Sauerstoff, und
  2. anaerob, wenn nicht genügend Sauerstoff im Rahmen der Verstoffwechselung zur Verfügung steht.
Unter normalen Bedingungen nutzen unsere Zellen die aerobe Glykolyse. Lediglich die roten Blutkörperchen, die keine Mitochondrien besitzen, führen dauerhaft eine anaerobe Glykolyse durch. Die Muskulatur dagegen greift auf anaerobe Energiegewinnung bei plötzlicher und besonders starker Anstrengung zurück, wie die folgende Grafik am besten verdeutlicht.

Bild: Leitzmann und Kollegen 2009: 218

Kleiner Hinweis: Die Grafik ist bezüglich Ablauf und Zeiten etwas ungenau, wie wir uns in einem späteren Artikel noch anschauen werden, dient uns an dieser Stelle aber erst einmal zur grafischen Verdeutlichung.

Im Rahmen der
  • aeroben Energiegewinnung wird das Pyruvat in den Mitochondrien abgebaut, wohingegen unter der
  • anaeroben Energiegewinnung das Pyruvat weiterhin im Zytosol abgebaut wird und Laktat entsteht.

Mitochondrien? Was soll das sein?

Der Begriff Mitochondrien fiel nun bereits mehr als einmal, so dass dieser ganz kurz erläutert werden soll.

Mitochondrien werden oftmals als Kraftwerke der Zelle bezeichnet und schwimmen innerhalb der Zelle im Zytosol. Gemäß der Endosymbiontentheorie waren Mitochondrien Bakterien, die vor ca. 4 Milliarden Jahren von den Zellen vereinnahmt wurden, und überhaupt erst höheres Leben ermöglichten, da diese täglich bis zu 140 Kilogramm (!) ATP produzieren können. Eine unvorstellbar große Menge, wenn wir bedenken, dass die Umwandlung von Glukose zu Pyruvat gerade einmal 2 ATP Moleküle brachte.


Mitochondrien können durch Training und Belastung vermehrt werden, wobei die einzelnen Mitochondrien auch nur eine Lebensdauer von wenigen Wochen haben.

Das Phänomen werden Personen eventuell bereits kennengelernt haben, die durch eine Marathonvorbereitung ihren Fettstoffwechsel optimiert hatten und auch nach dem eigentlichen Laufevent noch davon profitierten.

Aerobe Verstoffwechselung von Kohlenhydraten

Gehen wir also zunächst vom Normalfall aus, dass genügend Sauerstoff zur Verfügung steht. In diesem Fall wird das Pyruvat zu Acetyl-CoA abgebaut. Dieses wiederum wird in den sogenannten Citratzyklus eingebunden. Dieser wird uns in einem späteren Artikel noch begegnen, denn auch Fett und Protein werden soweit verstoffwechselt, dass Acetyl-CoA gebildet werden kann.

Andersherum ist dies jedoch nicht möglich. Dass aus Fett keine Muskeln werden, ist hoffentlich jedem Leser längst bekannt. Aber auch Acetyl-CoA, das aus Fett gebildet wurde, kann nicht in Kohlenhydrate zurückgewandelt werden!
Für heute merken wir uns, dass bei einer vollständigen aeroben Verstoffwechselung von 1 mol Glukose insgesamt 36 mol ATP entstehen.
Die vollständigen Abbauprodukte wären schließlich CO2 und H2O.
Damit das Pyruvat in die Mitochondrien gelangt und somit 36 ATP entstehen können, sind erneut Enzyme beteiligt. In ► Teil 8 lernten wir, dass diese oftmals durch Cofaktoren beeinflusst werden. In diesem Fall sind es fünf Coenzyme, die aus den B-Vitaminen Thiamin, Niacin und Riboflavin gebildet werden.

Das ist der Grund, warum entsprechende Präparate von Supplementherstellern für sportliche Leistungsfähigkeit angepriesen werden.

Erneut haben wir also das Phänomen, dass ein grundlegend richtiger Gedanke von Bodybuilder aufgeschnappt wird und dessen Bedeutung überschätzt wird. Wer eine vollwertige, abwechslungsreiche Ernährung befolgt, sollte kein Problem mit seiner B-Vitamin-Zufuhr bekommen.

In Hungerphasen wie einer (einseitigen) Bodybuilder-Diät ist allerdings eine Unterversorgung von Thiamin (Vitamin B1) denkbar. Der tägliche Bedarf könnte jedoch sehr einfach mittels 100 Gramm Schweinefilet, 200 Gramm Haferflocken oder 200 bis 300 Gramm Hülsenfrüchten gedeckt werden.

Vor allem Haferflocken sind auch in der Diät ein oftmals ein akzeptiertes Lebensmittel. Wer seine Kalorien also drastisch reduziert und gleichzeitig auf einen (sehr) eingeschränkten Pool an Lebensmitteln zurückgreift, kann seinen Thiamin-Bedarf damit leicht decken.

Phasen von bis zu zwei Wochen (am Ende einer Wettkampfdiät) wären schließlich ein vertretbarer Rahmen, wenn auch diese Lebensmittel aus der täglichen Ernährung gestrichen werden sollten, um entscheidenden Einfluss auf den Wasserhaushalt etc. zu nehmen, wie es im Wettkampfbodybuilding üblich ist. So lange sollte der Thiamin-Vorrat im Körper reichen.
Die Umwandlung von Pyruvat zu Acetyl-CoA ist biochemisch gesehen relativ kompliziert. Um dem Ganzen dennoch den Zauber zu nehmen, drücken wir es ganz einfach aus: Die COO- Gruppe des Pyruvats wird abgespalten und ausgetauscht, wie in der Grafik zu erkennen ist.

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

Dass jeder Knick für ein C-Atom steht und faule Chemiker die H-Atome nicht mit aufführen, ist uns bereits aus früheren Artikel bekannt, weshalb wir uns diese denken.

Wie entscheidet die Zelle, ob sie Glukose auf diese Weise nutzen will?

Die Zelle kann über zwei verschiedene Wege entscheiden, ob Pyruvat auf die beschriebene Art und Weise abgebaut wird. Für ATP bestehen keine größeren Speicher innerhalb der Zelle, weshalb es nicht zweckmäßig wäre, andauernd Kohlenhydrate zu verbrauchen, solange noch genügend Energie vorhanden ist.

Die erste Möglichkeit sind Prozesse innerhalb der Mitochondrien: Wenn ADP (das Abbauprodukt von ATP), NAD+ oder ein freies Coenzym A vorhanden sind, sind dies Zeichen für eine Hungerphase. Die Zelle benötigt also Energie, um zu überleben, und aktiviert daher die beschrieben Verstoffwechselung. – Entsprechend sorgen die entgegengesetzten Zustände dafür, dass keine Glukose abgebaut wird. Darüber hinaus hemmt die Anwesenheit von langkettigen Fettsäuren in den Mitochondrien die Verstoffwechselung von Glukose, da diese zunächst als Energieträger genutzt werden können (und deutlich mehr ATP liefern).

Die zweite Möglichkeit besteht über den Aktivitätszustand von Enzymen innerhalb der Zelle (Interkonvertierung). Um es einfach zu halten: Wenn die Zelle genügend Energie zur Verfügung hat, wird kein unnötiges Pyruvat produziert. Ist dagegen ein hohes Angebot an Pyruvat vorhanden, wird dieses von den Mitochondrien abgebaut und damit Energie produziert.

Anaerobe Verstoffwechselung von Kohlenhydraten

Schauen wir uns also die zweite Möglichkeit der Verstoffwechselung an. Bei der anaeroben Energiegewinnung entsteht Laktat, wobei dabei aus NADH/H+ wieder NAD+ wird, das für die Glykolyse benötigt wird.
Der anaerobe Stoffwechsel sollte also nicht als ineffektiver (gerade einmal 2 ATP) und hinderlicher (Laktat sorgt für eine temporäre Übersäuerung) Vorgang missverstanden werden, denn dieses Recycling des NADH/H+ ist notwendig, damit der Kohlenhydratstoffwechsel überhaupt ablaufen kann.
Zwei Zelltypen sind dabei für diesen Prozess von besonderer Bedeutung:
  1. Zunächst stellen unsere roten Blutkörperchen, wie inzwischen klar sein sollte, eine dauerhafte Laktat-Quelle dar, die im Rahmen ihrer Energiegewinnung durchgehend eine gewisse Menge an Laktat ins Blut abgibt.
  2. Darüber hinaus produzieren die Muskelzellen bei starker Belastung Laktat, wobei dieser Prozess deutlich begrenzt ist, wie in der Grafik oben auch bereits zu erkennen war.
Das produzierte Laktat wird ins Blut abgegeben, von wo aus das Laktat vor allem in Leber und Herz gelangt und dort
  • entweder wieder zu Pyruvat abgebaut oder
  • in der Leber in Glukose zurückgewandelt wird. Diese zweite Option wird in der Biochemie als Cori-Zyklus bezeichnet.
In jedem Fall wird das Laktat also durch den Körper wiederverwertet.

Zusammenfassung

Damit haben wir zunächst die grundlegende Verstoffwechselung von Glukose kennengelernt.

Was sollten wir als aus diesem Teil mitnehmen?
  1. Glukose kann aerob und anaerob verstoffwechselt werden.
  2. Anaerob bringt gerade einmal 2 ATP (und führt zur Laktatbildung), aerob liefert weitere 36 ATP.
  3. Wichtig ist die Umwandlung in Acetyl-CoA, das zur Energieproduktion verstoffwechselt wird und auch aus Fett- und Aminosäuren entstehen kann, wie wir noch sehen werden.
Im nächsten Artikel werden wir uns schließlich anschauen, was mit Fruktose und Galaktose passiert und wie die Leber neue Kohlenhydrate für den gesamten Körper herstellt.

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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