1.1Intestinale Verdauung am Beispiel Döner Kebab

Mit einer ausgewogenen Mahlzeit nehmen wir die drei Grundbestandteile der Nahrung, Kohlenhydrate, Fette und Aminosäuren, als komplexe polymere Verbindungen auf. Im Verdauungskanal werden diese komplexen Polymere in ihre Bestandteile zerlegt, um als Monomere resorbiert zu werden. Triacylglyceride werden zu Diacylglyceriden, Monoacylglyceriden, freien Fettsäuren und Glycerin abgebaut. Polymere Kohlenhydrate werden in monomere Hexosen wie Glukose, Fruktose und Galaktose zerlegt, und Proteine werden zu Tripeptiden, Dipeptiden und vor allem zu freien Aminosäuren zersetzt.

Während die glykosidischen Bindungen der Kohlenhydrate für einen enzymatischen Abbau gut zugänglich sind, sind das Aufbrechen der Esterbindungen der Triacylglyceride, sowie das Aufbrechen der Peptidbindungen der Proteine aus unterschiedlichen Gründen deutlich erschwert. Triacylglyceride sind als lipophile Substanzen im wässrigen Milieu des Verdauungskanals unlöslich und damit räumlich von den im wässrigen Milieu befindlichen hydrophilen Lipasen getrennt. Für eine effiziente Verdauung müssen die Fette also erst in räumliche Nähe zu den Lipasen gebracht werden. Proteine zeichnen sich durch eine komplexe dreidimensionale Struktur aus, mit der Konsequenz, dass bei globulären Proteinen der weitaus größte Anteil an Peptidbindungen im Innern des gefalteten Proteins und damit unzugänglich für Peptidasen liegt. Auch hier muss zuerst gewährleistet werden, dass die Verdauungsenzyme an ihr Substrat gelangen.

Darüber hinaus bestehen polymere Kohlenhydrate wie Stärke aus mehreren tausend Monomeren, Proteine häufig aus über tausend Aminosäuren. Da die Verweildauer im Magen-Darm-Trakt zeitlich begrenzt ist, muss das Aufbrechen möglichst aller glykosidischen Bindungen bzw. Peptidbindungen sehr effizient erfolgen.

Schließlich sollen die monomeren Bestandteile, also Fettsäuren, Aminosäuren und Kohlenhydrate möglichst komplett aus dem Darmlumen ins Blut transportiert werden, teilweise entgegen der Konzen­trationsgradienten.

Die anatomischen Anpassungen und biochemischen Mechanismen unseres Verdauungskanals, die eine effiziente Nahrungsaufnahme überhaupt ermöglichen, sind vielgestaltig und reichen von angehängten Drüsen wie Leber/Galle oder Bauchspeicheldrüse über unterschiedliche pH-Werte in verschiedenen Abschnitten des Magen-Darm-Trakts und Oberflächenvergrößerungen am Resorptionsepithel des Dünndarms bis zu fein justierten Transportmechanismen für die Resorption der Monomere am Dünndarmepithel.

Am Beispiel eines Döner Kebabs werden wir im Folgenden die Verdauung der Kohlenhydrate, der Proteine und der Fette im Einzelnen durchnehmen.

1 Skizzieren und beschriften Sie die Anatomie unseres Verdauungssystems inklusive der akzessorischen Drüsen.

Die Nahrung gelangt über Mund und Speiseröhre in den Magen. Der Pförtner (Pylorus) kontrolliert die Weiterleitung in den Zwölffingerdarm (Duodenum), aus dem der Nahrungsbrei dann weiter über Dünndarm, Dickdarm und Enddarm zum After transportiert wird. Die wesentlichen akzessorischen Drüsen sind prägastrisch, also vor dem Magen gelegen, wie die Speicheldrüsen (Mundspeicheldrüsen und Ohrspeicheldrüse) sowie postgastrisch wie die Bauchspeicheldrüse (Pankreas) und die Leber mit Gallenblase (s. Abb. 1.2).

Abb. 1.2 Anatomie des Verdauungssystems und der akzessorischen Drüsen.

2  Warum schmeckt das Fladenbrot erst nach längerem Kauen süß?

Grundbestandteil des Fladenbrots ist das polymere Kohlenhydrat Stärke. Dieses besteht aus den Komponenten Amylose und Amylopektin, wobei Amylose ein Polymer aus α-1,4-verknüpfter Glukose, Amy­lopektin ein verzweigtes Polymer aus α-1,4- und α-1,6-verknüpfter Glukose darstellt. Die drei großen Speicheldrüsen im Mund – Ohr­speicheldrüse, Unterkieferspeicheldrüse und Unterzungenspeicheldrüse – sezernieren in ihrem Speichelsekret unter anderem das Enzym α-Amylase. Dieses Enzym spaltet α-1,4-glykosidische Bindungen innerhalb eines Moleküls. Als Reaktionsprodukte entstehen aus dem Abbau von Amylose und Amylopektin neben verknüpften Oligosacchariden auch α-1,4-Glukose-Dimere, also Maltose. Maltose bindet an die Zuckerrezeptoren an den Geschmacksknospen der Zunge und vermittelt den Eindruck „süß“. Aus dem Abbau von Amylopektin entstehen darüber hinaus auch verzweigte Oligosaccharide mit α-1,4- und α-1,6-glykosidischen Bindungen.

3  Warum sezerniert auch die Bauchspeicheldrüse Amylase, obwohl doch aus den Mundspeicheldrüsen schon Amylase sezerniert wurde?

Der Ductus pancreaticus, also die Verbindung der Bauchspeicheldrüse mit dem Verdauungskanal, mündet in den Zwölffingerdarm. Der Nahrungsbrei hat also bereits den Magen passiert. Das saure Milieu im Magen hat auch die Amylase der Mundspeicheldrüsen genau wie die mit der Nahrung aufgenommenen Proteine denaturiert und durch die Protease Pepsin angedaut. Damit wird im Magen die Kohlenhydratverdauung gestoppt. Erst durch die Amylasen des Pankreas wird die Kohlenhydratverdauung wieder aufgenommen.

4  Warum erfolgt die Resorption von Glukose im Symport mit Na+, die Resorption von Fruktose aber nicht?

Ausschlaggebend für die Art, wie die unterschiedlichen Hexosen von den Darmepithelzellen aufgenommen werden, sind die Konzentrationsverhältnisse. Die intrazelluläre Konzentration von Glukose ist hoch, sogar höher als die Glukosekonzentration im Blut und deutlich höher als die Glukosekonzentration im Darmlumen. Somit kann Glukose aus den Darmepithelzellen passiv ins Blut diffundieren, muss aber, um vom Darmlumen in die Epithelzelle aufgenommen zu werden, entgegen seines Konzentrationsgradienten transportiert werden. Dies geschieht im Symport mit Na+ (s. Abb. 1.3). An der apikalen Seite wird Glukose über SGLT-Transporter (Sodium/Glukose-Transporter) aufgenommen. Im Darm ist dies SGLT-1, ein Transportprotein, das zwei Natriumionen zusammen mit einem Glukosemolekül aus dem Darmlumen in die Darmepithelzelle einschleust. Die intrazelluläre Glukosekonzentration kann damit deutlich höher sein als die Glukosekonzentration im Darmlumen und im Blut. Die intrazelluläre Na+-Konzentration wird durch die permanente Aktivität der Na+/K+-ATPase an der basalen Seite auf ca. 15 mM gehalten, sodass ein permanenter Natriumgradient über der apikalen Seite der Enterozyten bestehen bleibt. An der basalen Seite strömt Glukose passiv aus der Zelle. Dies geht nur über spezifische Proteine, im Darm hauptsächlich über GLUT2.

Abb. 1.3 Auf der basalen Seite der Enterozyten sorgt die Na+/K+-ATP­ase dafür, dass intrazellulär die Natriumkonzentration sehr gering bleibt. Damit besteht an der apikalen Seite ein Na+-Gradient, Na+ strömt vom Darmlumen in die En­terozyten. Dies geht vorwiegend durch zur Familie der SGLT gehörende Transportproteine im Symport mit Glukose (Glc). Damit steigt die intrazelluläre Glukosekonzentration so hoch, dass an der basalen Seite Glukose passiv durch Kanalproteine der GLUT-Familie ins Blut aufgenommen wird.

Die Konzentrationsverhältnisse für Fruktose sehen anders aus. Die intrazelluläre Fruktosekonzentration ist sehr gering, denn diese Hexose wird schnell und effizient in Glukose umgewandelt. Damit bleibt ein Konzentrationsgradient zwischen Darmlumen und Epithelzelle bestehen, und Fruktose kann mit dem Gradienten in die Zelle diffundieren.

Auf der basalen Seite der Enterozyten sorgt die Na+/K+-ATPase dafür, dass intrazellulär die Natriumkonzentration sehr gering bleibt. Damit besteht an der apikalen Seite ein Na+-Gradient, Na+ strömt vom Darmlumen in die Enterozyten. Dies geht vorwiegend durch zur Familie der SGLT gehörende Transportproteine im Symport mit Glukose (Glc). Damit steigt die intrazelluläre Glukosekonzentration so hoch, dass an der basalen Seite Glukose passiv durch Kanalproteine der GLUT-Familie ins Blut aufgenommen wird.

5  Warum wird die Zellulose des Salatblattes als Ballaststoff unverdaut ausgeschieden?

Wie Amylose ist auch Zellulose ein linear 1,4-verknüpftes Polymer aus Glukose. Der einzige Unterschied zur Amylose ist, dass die 1,4-Bindung in Zellulose in der β-Konformation vorliegt. Zellulose ist damit ein Polymer aus β -1,4-verknüpfter Glukose. Unsere Amylasen können ausschließlich α-1,4-glykosidische Bindungen spalten; die β-1,4-Bindung stellt für sie kein Substrat dar. Tatsächlich gibt es keine höheren Tiere, die entsprechende Enzyme exprimieren. Um die β-1,4-glykosidischen Bindungen aufzubrechen, sind selbst herbivore Tiere wie die Kuh oder das Kaninchen auf eine Symbiose mit Mikroorganismen angewiesen.

Das Fehlen eigener Enzyme für den Abbau β-1,4-glykosidischer Bindungen, einhergehend mit der Symbiose mit Mikroorganismen, erklärt die anatomischen Anpassungen herbivorer Tiere auf ihre Ernährung. Diese anatomische Anpassung kann wie bei Wiederkäuern in einem mehrkammerigen Magen liegen, sodass die Verdauung der Zellulose prägastrisch erfolgt. Sie kann sich aber auch in der Ausbildung einer postgastrischen Gärkammer manifestieren – meist in Form einer massiven Vergrößerung des Blinddarms. Eine postgastrische Verdauung geht dabei meist mit Koprophagie einher, also der Wiederaufnahme eines mithilfe der symbiotischen Mikroorganismen im Blinddarm produzierten Blinddarmkots.

6 Die Proteinverdauung beginnt im sauren Milieu im Magen. Wie kommt es zur Ansäuerung und wozu dient der saure pH?

Für die Ansäuerung des Magensaftes sind spezialisierte Zellen der Magenwand verantwortlich: die Belegzellen. Diese Zellen sezernieren Salzsäure und senken damit den pH-Wert des Chymus auf bis zu pH 1, was dem pH-Wert einer 0,1-molaren Salzsäurelösung entspricht. Das Ansäuern hat zweierlei wesentliche Aufgaben. Zum einen dient es dem Infektionsschutz, da im sauren Milieu säurelabile Mikroorganismen abgetötet werden, zum anderen werden Wechselwirkungen zwischen Aminosäureresten aufgebrochen, wodurch die Nahrungsproteine denaturieren. Erst jetzt können Endopeptidasen wie Pepsin in räumliche Nähe zu ihrem Substrat, den Peptidbindungen innerhalb der Proteine gelangen und die Hydrolyse dieser Peptidbindungen katalysieren.

Als Konsequenz auf dieses saure Milieu im Magen hat sich die Endopeptidase Pepsin evolutionär so angepasst, dass sie ihr pH-Optimum im stark sauren Milieu hat.

Eine weitere Konsequenz des sauren Milieus ist, dass die Zellen der Magenwand von einer Schutzschicht umgeben sind. Dieser „Magenschleim“ besteht aus polymeren Kohlenhydraten, die verhindern, dass die Oberflächenproteine der Magenepithelzellen denaturieren und die Zellen absterben.

7 Die Proteinverdauung wird durch die Endopeptidasen des Pankreas im leicht alkalischen pH-Wert des Zwölffingerdarms (Duodenum) fortgesetzt. Wie kommt es zur Veränderung des pH-Werts? Wie werden Trypsin und Chymotrypsin aktiviert?

Die Bauchspeicheldrüse sezerniert nicht nur Verdauungsenzyme, sondern auch Bicarbonat. Dieses Bicarbonat im Pankreassekret neutralisiert die Salzsäure des Magensafts. Über autonome nervöse Regulationsmechanismen am Pylorus (Pförtner) wird verhindert, dass das Duodenum übersäuert. pH-Sensoren am Zwölffingerdarm erlauben den Muskeln des Pförtners nur kurzzeitig zu öffnen, und zwar dann, wenn der pH-Wert im Zwölffingerdarm neutral bis leicht basisch ist. Somit wird gewährleistet, dass der saure Chymus kontrolliert in den Zwölffingerdarm gelangt und die Darmepithelzellen nicht schädigt.

Mit dem Pankreassaft werden die Endopeptidasen Trypsin und Chymotrypsin als inaktive Vorstufen Trypsinogen und Chymotrypsinogen sezerniert. Aus diesen inaktiven Vorstufen entstehen erst im Duodenum durch limitierte Proteolyse die aktiven Enzyme. Limitierte Proteolyse heißt, dass ein Teil der Peptidkette der inaktiven Vorstufen durch die Aktivität von Endopeptidasen abgespalten wird. Erst dann können sich die Pankreaspeptidasen in aktive Enzyme falten. Dieser Mechanismus verhindert, dass Trypsin und Chymotrypsin bereits im exokrinen Pankreas und im Ductus pancreaticus aktiv sind und die Proteine der Bauchspeicheldrüse und des Pankreasgangs verdauen und damit die Organe schädigen oder gar zerstören. Bei den Endopeptidasen, die Trypsin und Chymotrypsin aktivieren, handelt es sich um Trypsin und Elastase.

8 Wo und wie erfolgt die Abspaltung einzelner Aminosäuren? Warum ist die Vorverdauung durch Endopeptidasen essenziell?

Die vom Magen und Pankreas produzierten proteinverdauenden Enzyme Pepsin, Trypsin und Chymotrypsin sind Endopeptidasen, d. h. als Reaktionsprodukte entstehen Peptide. Unser Resorptionsepithel am Dünndarm nimmt bevorzugt freie Aminosäuren auf. Zu einem geringeren Anteil werden auch Dipeptide und Tripeptide resorbiert. Die Abspaltung einzelner Aminosäuren aus einem Peptid erfolgt von beiden Enden her, dem Aminoterminus und dem Carboxyterminus. Entsprechend sezerniert unser Dünndarmepithel Aminopeptidasen und Car­boxypeptidasen. Diese Exopeptidasen katalysieren also die Abspaltung freier Aminosäuren von den Enden der Peptide.

Für ein effizientes Arbeiten der Exopeptidasen ist eine Vorverdauung der Nahrungsproteine durch Endopeptidasen unerlässlich, denn wenn Proteine zur Resorption in freie Aminosäuren zerlegt werden müssen und die Abspaltung von Aminosäuren nur von den freien Enden erfolgt, so wird die Effizienz der Verdauung deutlich erhöht, wenn die Anzahl freier Enden erhöht wird. Genau dies ist die Aufgabe der Endopeptidasen. Wenn beispielsweise ein 300 Aminosäuren großes Protein in 30 Peptide zerlegt wird, so erhöht sich die Anzahl der Angriffspunkte für Exopeptidasen von zwei auf sechzig.

9 Vergleichen Sie die Resorption der Aminosäuren mit der Resorption von Glukose.

Der prinzipielle Aufnahmemechanismus von Aminosäuren und Glukose ist sehr ähnlich. Sowohl Aminosäuren als auch Glukose werden sekundär aktiv im Symport mit Natrium-Ionen resorbiert. In beiden Fällen stammt die Energie, die benötigt wird, um Monomere entgegen ihres Konzentrationsgradienten zu resorbieren, also von der Aktivität der Na+/K+-ATPase. Dieses Enzym, das an den Epithelzellen baso-lateral lokalisiert ist, hält die intrazelluläre Natriumkonzentration gering, sodass permanent ein Natriumgradient zwischen Darmlumen und Zellinnerem besteht. Für die Resorption von Glukose wird dieser Natriumgradient genutzt, indem er Natrium durch die SGLT-Transportproteine nur einströmen lässt, wenn gleichzeitig Glukose in die Zelle eintritt. Ähnliches gilt auch für die Resorption von Aminosäuren, nur dass hier anstatt des SGLT-Transportproteins Aminosäuren-Transportproteine die Energie des Natriumgradienten nutzen. Dabei gibt es vier unterschiedliche Aminosäuren-Transportproteine, die jeweils für einen Teil der Aminosäuren verantwortlich sind. Diese Aminosäuren-Transportproteine sind gruppenspezifisch, z. B. für saure oder basische Aminosäuren.

10 Was sind Micellen und wie kommen sie zustande?

Micellen sind sogenannte „Fetttröpfchen“, aber nicht zu verwechseln mit einem „Fettauge“, wie es in der Suppe schwimmt. Wesentlich für Micellen ist der amphiphile Charakter der Micellen-bildenden Fette. Dieser amphiphile Charakter sorgt dafür, dass sich im Innern der Micelle die lipophilen Fettsäurereste befinden und außen, also hin zum wässrigen Milieu, die hydrophilen Kopfgruppen. Diese hydrophilen Kopfgruppen können die Phosphatgruppen der Phospholipide sein, aber auch die polaren Komponenten der Gallensalze.

Bei fettreicher Nahrung dominieren Triacylglyceride. Diese sind per se nicht in der Lage, Micellen zu bilden. Die amphiphilen Fette, die wir als Bestandteile der Membranen zu uns nehmen, reichen nicht aus, die große Menge an Triacylglyceriden zu emulgieren. Zur effizienten Micellenbildung sezerniert die Galle die in der Leber produzierten Gallensalze in den Zwölffingerdarm. Gallensalze sind Cholesterinderivate, die durch eine Sulfatgruppe amphiphilen Charakter aufweisen (s. Abb. 1.4). Sie lagern sich zwischen die Triacylglyceride ein und führen spontan zur Micellenbildung.

Abb. 1.4 Cholesterin wird in der Leber zu Gallensalzen, wie z. B. Cholsäure, umgewandelt. Die wesentlichste Veränderung ist dabei der Einbau hydrophiler Gruppen, wie mehrere alkoholische Gruppen, eine Ketogruppe und ein Sulfat-Rest. Dies verstärkt den amphiphilen Charakter und fördert die Micellenbildung.

Die Micellen sind für die Fettverdauung unerlässlich, denn damit werden Angriffspunkte für die enzymatische Aktivität der Pankreaslipasen geschaffen. Erst so kann das hydrophile Enzym Lipase überhaupt in räumliche Nähe zu seinem Substrat, den Esterbindungen zwischen Glycerin und Fettsäuren gelangen. Die Pankreaslipasen spalten aus den Triacylglyceriden freie Fettsäuren, und es verbleiben Diacylglyceride. Diese Diacylglyceride wiederum verstärken die Micellenbildung und der Fettverdauungsprozess kommt in Gang. Freie Fettsäuren, Monoacylglyceride und Glycerin werden dann von den Enterozyten resorbiert.

Entscheidend für die Micellenbildung ist also die Sekretion von Gallensalzen. Tatsächlich werden pro Tag etwa 2–4 Gramm Gallensalze für die Fettverdauung benötigt. Dabei werden aber nur einige Hundert Milligramm Gallensalze pro Tag neu synthetisiert, denn der weitaus größte Teil der Gallensalze pendelt im enterohepatischen Kreislauf zwischen Leber und Darm, d. h. er wird von der Leber über die Galle in den Zwölffingerdarm sezerniert und gelangt nach Resorption im Dünndarm über die Pfortader zurück in die Leber.

11 Wie werden resorbierte Fette vom Blut abtransportiert?

Fette sind als lipophile Substanzen im Blut prinzipiell unlöslich. Dies gilt sowohl für Triacylglyceride als auch für amphiphile freie Fettsäuren und Cholesterin und seine Derivate. Triacylglyceride, die im Dünndarmepithel aus den resorbierten freien Fettsäuren, Monoacylglyceriden, Diacylglyceriden und Glycerin neu synthetisiert wurden, werden von den Epithelzellen in Lipoproteinpartikel, sogenannte Chylomi-kronen, verpackt und gelangen über die Pfortader zur Leber. Hier wird ein Teil der Chylomikronen „umgepackt“ und die Fette als „low density Lipoproteinpartikel“ (LDL), „very low density Lipoproteinpartikel“ (VLDL), „intermediate density Lipoproteinpartikel“ (IDLP) und „high density Lipoproteinpartikel“ (HDL) in den Körperkreislauf entlassen. Der wesentliche Unterschied zwischen den verschiedenen Arten an Lipoproteinpartikeln ist ihre Ausstattung mit Lipoproteinen, zum Beispiel Apolipoproteinen, und ihr Cholesteringehalt.

Chylomikronen sind die größten dieser Lipoproteinpartikel und entstehen im Darmepithel. VLDL entstehen in der Leber und transportieren hauptsächlich die dort synthetisierten Triacylglyceride. LDL entstehen in der Leber und transportieren hauptsächlich Cholesterin und seine Derivate. Auch HDL entstehen vorwiegend in der Leber, dienen aber hautsächlich dem Rücktransport von Cholesterin und seinen Derivaten von der Peripherie zur Leber. Die Proteine in den Lipoproteinpartikeln sind nicht nur dafür da, die Lipide in einen transportfähigen Zustand zu bringen, sondern dienen auch als „Adressaufkleber“ dazu, die Lipide für ihren Bestimmungsort zu markieren.

Neben dem Transport in Lipoproteinpartikeln können amphiphile Lipide auch unspezifisch an Proteine gebunden über das Blut verteilt werden. Der zugrunde liegende Mechanismus ist, dass sehr viele Proteine auch hydrophobe Bereiche aufweisen, an die sich Fettsäuren anlagern können. Das in unserem Körper wesentlichste fetttransportierende Protein ist Albumin.

12 Was ist der enterohepatische Kreislauf und wieso ist dieser Kreislauf bei der Resorption der Fette entscheidend?

Enterohepatischer Kreislauf bedeutet, dass Moleküle vom Darmepithel resorbiert werden, über das Pfortadersystem in die Leber gelangen, dort aufgenommen werden und über die Galle zurück in das Duodenum sezerniert werden, ohne in den großen Körperkreislauf zu gelangen. Diesen Weg nimmt beispielsweise Amanitin, das Gift des grünen Knollenblätterpilzes. Dieses Gift inhibiert die RNA-Polymerase, bringt also die Neusynthese von RNA zum Erliegen. Die Gefährlichkeit dieses Giftes liegt darin, dass es nur äußerst ineffizient ausgeschieden wird, weil es über den enterohepatischen Kreislauf permanent zwischen Leber und Darm pendelt und so nach und nach die Leberzellen abtötet.

Für die Resorption von Fetten ist der enterohepatische Kreislauf insofern von besonderer Bedeutung, als ein Großteil der Gallensalze genau diesen Weg nimmt und im Laufe eines Tages vier- bis zwölfmal zwischen Leber und Darm zirkuliert. Gallensalze sind für das Emulgieren der Nahrungsfette und damit für eine effiziente Fettverdauung unerlässlich. In diesem zirkulierenden System, inklusive dem Speicherort Gallenblase befinden sich insgesamt etwa 2–4 Gramm Gallensalze. Sinn dieses enterohepatischen Kreislaufs ist es also dafür zu sorgen, dass permanent genügend Gallensalze zur Fettresorption zur Verfügung stehen, mit minimalisierten Verlusten durch Ausscheidung und ohne den Cholesterinpool des Körpers zu sehr zu belasten.

13 Welche Rolle spielen Mund, Magen, Leber und Pankreas bei der Verdauung von Kohlenhydraten, Proteinen und Fetten?

a) Kohlenhydrate

Das wesentlichste polymere Kohlenhydrat, das wir mit der Nahrung zu uns nehmen, ist Stärke, also α-1,4-(Amylose) und α-1,4-, α-1,6- (Amylopektin) verknüpfte Glukose. Im Mund wird dieses Polymer durch die Amylase im Speichel teilweise verdaut und als Reaktionsprodukt entsteht das Disaccharid Maltose. Im Magen stoppt die Kohlenhydratverdauung, denn durch das saure Milieu denaturiert die Amylase und durch die Endopeptidase Pepsin wird die Amylase fragmentiert. Zwar sind glykosidische Bindungen generell säurelabil, aber der pH-Wert im Magen ist nicht hinreichend sauer, um bei physiologischen Temperaturen die glykosidischen Bindungen zu spalten.

Im Duodenum wird der saure Magensaft durch Bicarbonat aus der Bauchspeicheldrüse neutralisiert. Amylasen im Pankreassekret setzen die Arbeit der Speichelamylasen fort, sodass die Polymere der Stärke weitestgehend in Dimere zerlegt werden. Disaccharidasen werden von Darmepithelzellen sezerniert und zerlegen die Dimere in monomere Glukose. Im Symport mit Na+ wird Glukose sekundär aktiv aufgenommen. Die Leber spielt hier erst als Speicherort der körpereigenen Glukose-Polymere (Glykogen) eine Rolle.

• Mund: Amylase spaltet Stärke.
• Magen: Niedriger pH-Wert und Pepsin zerstören Amylase; Stopp der Kohlenhydratverdauung.
• Pankreas: Neutralisieren des pH; Sekretion von Amylase.
• Dünndarm: Sekretion von Disaccharidasen und Resorption der Monomere.
• Leber: Speicherung der aufgenommenen Kohlenhydrate als Glykogen.

b) Proteine

Die Verdauung der Proteine beginnt im Magen. Durch das saure Milieu werden die Nahrungsproteine denaturiert, d. h. die Tertiärstruktur wird aufgebrochen. Dies erlaubt der Endopeptidase Pepsin, ihr Sub­strat „Peptidbindung“ im Inneren des Proteins zu erkennen und zu spalten. Bereits im Magen werden Proteine also in kleine Fragmente zerlegt.

Mit dem Eintritt in das Duodenum verliert Pepsin seine Aktivität, denn durch das Bicarbonat des Pankreassekrets steigt der pH-Wert ins leicht Alkalische. Das Pankreas sezerniert die Endopeptidasen Chymotrypsin und Trypsin. Wie bei Pepsin werden diese Endo­peptidasen als inaktive Vorstufen (Chymotrypsinogen, Trypsinogen) sezerniert und erst durch limitierte Proteolyse in aktive Enzyme umgewandelt. Trypsin und Chymotrypsin sind ebenfalls Endopeptidasen und zerteilen die vorverdauten Proteine weiter in kleinere Peptide. Exopeptidasen hy­drolysieren diese Peptide von beiden Enden her: Am N-Terminus greifen Aminopeptidasen an, am C-Terminus Carboxypeptidasen. Beide Exopeptidasen werden vom Darmepithel sezerniert.

Die freien Aminosäuren (etwas weniger auch Di- und Tripeptide) werden über gruppenselektive Transportproteine im Symport mit Na+ von den Epithelzellen des Dünndarms resorbiert und gelangen über die Pfortader zur Leber. Hier werden die Aminosäuren weiter verstoffwechselt und unter anderem zur Synthese unseres Aminosäure-Reservoirs und -Transportproteins Albumin verwendet.

• Mund: keine Proteinverdauung.
• Magen: Der saure pH-Wert denaturiert die Proteine, die Endopeptidase Pepsin spaltet Proteine.
• Pankreas: Neutralisieren des pH-Werts; Sekretion weiterer Endopeptidasen.
• Dünndarm: Sekretion von Exopeptidasen und Resorption der Aminosäuren.
• Leber: Aufnahme der freien Aminosäuren, Synthese von Albumin.

c) Fette

Die Fettverdauung startet erst im Darm. Vorher, in Mund und Magen, liegen Triacylglyceride aufgrund ihres lipophilen Charakters in relativ großen Fetttropfen vor. Je größer die Fetttropfen sind, desto geringer ist die Angriffsmöglichkeit von Lipasen, denn diese sind als Verdauungsenzyme hydrophil und damit in den Fetttropfen unlöslich. Die Fettverdauung beginnt mit der Emulgierung der Nahrungsfette durch die im Gallensekret gelösten Gallensalze. Dabei bilden sich Micellen, also sehr kleine Fetttröpfchen. Dies schafft eine hinreichend große Angriffsfläche für die Pankreaslipase. Diese Lipase spaltet Esterbindungen der Triacylglyceride und zerlegt sie somit in Diacylglyceride, Monoacylglyceride, Glycerin und freie Fettsäuren.

Als lipophile Substanzen können die Fettsäuren, Monoacylglyceride und Diacylglyceride die Membran der Endothelzellen des Dünndarms leicht passieren und werden innerhalb der Endothelzellen wieder zu Triacylglyceriden zusammen gebaut. Ebenfalls innerhalb der Endothelzellen werden die Triacylglyceride in ihre Transportform „Chylomikronen“ verpackt. Diese Chylomikronen sind Lipoproteinpartikel, also Konglomerate aus Triacylglyceriden und Proteinen, die es erlauben, die resorbierten Fette effizient im Blut über das Pfortadersystem zur Leber zu transportieren. Ein Teil der Lipoproteinpartikel wird in der Leber „entpackt“. Die Fette werden mit anderen Lipoproteinen versehen und als „very low density Lipoproteinpartikel“ (VLDL), „low density Lipoproteinpartikel“ (LDL) oder „high density Lipoproteinpartikel“ (HDL) zur Versorgung der Peripherie in den großen Körperkreislauf eingebracht.

• Mund: keine Fettverdauung.
• Magen: keine Fettverdauung.
• Pankreas: Sekretion der Lipase.
• Galle: Sekretion der Gallensalze zum Emulgieren (Micellenbildung).
• Dünndarm: Resorption der Fette und Synthese von Chylomikronen.
• Leber: Produktion der Gallensalze; nach Resorption Umbau der Lipoproteinpartikel.

14 Erläutern Sie die Rollen von Cholecystokinin, Gastrin, Sekretin und Gastroinhibitorischem Peptid (GIP) bei der autonomen hormonellen Regulation der Verdauung.

Gastrin, ein Peptidhormon, wird in spezialisierten Zellen des Magens in der Nähe des Pförtners produziert. Die Ausschüttung des Hormons wird induziert durch eine mechanische Dehnung des Magens, durch Proteine und Peptide in der Nahrung, sowie durch nervöse und hormonelle (Gastrin-releasing Hormon) Stimulation ausgehend vom Nervus vagus. Die Produktion von Salzsäure und damit der sinkende pH-Wert des Magensafts nach einer Mahlzeit unterdrückt die Ausschüttung dieses Hormons. Darüber hinaus wird die Ausschüttung auch noch durch Sekretin und GIP inhibiert.

Der Hauptwirkungsort von Gastrin ist der Magen. Hier wirkt es fördernd auf die Verdauung, stimuliert also die Produktion von Salzsäure in den Belegzellen, die Produktion von Pepsinogen in den Hauptzellen sowie die glatte Muskulatur zur besseren Durchmischung des Nahrungsbreis.

Gelangt der Nahrungsbrei in den Zwölffingerdarm, wird dort (und auch am proximalen Dünndarm) aus spezialisierten enteroendokrinen Zellen das Peptidhormon Cholecystokinin (CCK) sezerniert. Hauptzielorgane dieses Peptidhormons sind die Gallenblase und die Bauchspeicheldrüse (s. Abb. 1.5). Beide Organe werden stimuliert, ihr Sekret in das Darmlumen zu sezernieren. Aus der Gallenblase gelangen so Gallensalze zur Fettverdauung in den Darm, aus dem Pankreas Peptidasen, Amylasen und Lipasen zusammen mit Bicarbonat. Außerdem fördert Cholecystokinin die Darmperistaltik und inhibiert in einem negativen Rückkopplungsmechanismus die Ausschüttung von Gastrin. Kurzum, das Hormon bereitet den Darm auf die Ankunft eines Nahrungsbreis vor und signalisiert dem Magen, dass der Nahrungsbrei den Magen verlassen hat. Unterstützt wird Cholecystokinin dabei durch zwei weitere, auch aus dem Duodenum sezernierte Peptidhormone: Sekretin und Gastroinhibitorisches Peptid (GIP). Der Name dieser beiden enteroendokrinen Hormone zeigt bereits ihre Hauptwirkung, Sekretin stimuliert die Sekretion von Verdauungssäften, wirkt also positiv auf die Gallenblase und das exokrine Pankreas, GIP inhibiert die Verdauung im Magen, inhibiert also die Ausschüttung von Gastrin (s. Abb. 1.5).

Abb. 1.5 Das Peptidhormon Gastrin wirkt stimulierend auf die Magenaktivität. Die Produktion von Gastrin wird durch das Gastrointestinale Peptid (GIP) und Cholecystokinin (CCK) inhibiert. Gleichzeitig stimuliert CCK die Kontraktion der Gallenblase und die Aktivität des exokrinen Pankreas. Dabei wird es von dem Peptidhormon Sekretin unterstützt. GIP, CCK und Sekretin werden vom Zwölffingerdarm synthetisiert, Gastrin von spezialisierten Magenzellen in der Nähe des Pförtners.

2Umformen von Energie