Dietmar Gradl - Prüfungen erfolgreich bestehen im Fach Tierphysiologie

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.

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.

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.

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.

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.