Dietmar Gradl - Prüfungen erfolgreich bestehen im Fach Tierphysiologie

Aber die Studierenden waren auch konstruktiv an der Entstehung dieses Buchs beteiligt. Besonders hervorzuheben sind hier Caroline Mertes und Clara-Maria Ell, die bei der Erstellung der Endversion noch viele wichtige Hinweise gaben und so halfen, das Manuskript zu verbessern. Unserer Kollegin Nadine Gretz danken wir für die kritische Durchsicht des Textes und das Aufdecken noch so mancher Fehler. Ein extra Dankeschön geht an die Herausgeber der Buchreihe, Dr. Susanne und Prof. Michael Kühl für die Möglichkeit zu diesem Buch, sowie an Sabine Mann vom Verlag Eugen Ulmer für ihre hervorragende Unterstützung und Ermutigung sowie ihre Nachsicht, wenn wir, die Autoren, unseren Zeitrahmen etwas zu großzügig ausschöpften.

Die allgemeine „Energiewährung“ aller Zellen ist Adenosintriphosphat, ATP. Dabei steckt die nutzbare Energie in den Phosphat-Phosphat-Bindungen dieses Energieträgers, und nach hydrolytischer Spaltung entstehen die energieärmeren Nukleotide Adenosindiphosphat (ADP) bzw. Adenosinmonophosphat (AMP). Ziel des katabolen Stoffwechsels ist es, genügend ATP herzustellen. Die ATP-Synthese erfolgt entweder direkt bei sogenannten Substratketten-Phosphorylierungen oder indirekt über Redox-Reaktionen mit anschließender Oxidation der Reduktionsäquivalente NADH/H+ und FADH2 in der Atmungskette. Die Lieferanten der Reduktionsäquivalente sind dabei hauptsächlich die Energiespeicher Kohlenhydrate und Fette. Diese Energiespeicher gilt es durch Nahrungsaufnahme aufzufüllen. Da der bei Weitem größte Teil der Kohlenhydrate und Fette in der Nahrung in Form komplexer polymerer Verbindungen vorliegt und die Struktur der Resorptionsepithelien eine Aufnahme großer polymerer Verbindungen in der Regel nicht erlaubt, werden im Zuge der intestinalen Verdauung, also im Magen-Darm-Trakt, die Polymere in Monomere zerlegt (s. Abb. 1.1).

Abb. 1.1 Der intestinale Verdauungsvorgang zerlegt die komplexen Nahrungsmoleküle in ihre Monomere. Zur Energiegewinnung werden die Monomere intrazellulär verdaut. Dabei werden die Kohlenstoffe zu CO2 aufoxidiert und O2 zu H2O reduziert.

Fragen und Antworten

Das Kapitel Stoffwechsel umfasst:

Intestinale 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.

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.

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.

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.