Stax-Ernährungslehre.docx

**[Ernährungslehre -- Staatsexamen]** *Übersicht über Vorlesungsthemen* [Grundlagen ] 1. 2. oxidative Stress  [Makronährstoffe (Träger des Energiegehalts) ] 3. 4. 5. 6. [Mikronährstoffe  ] 7. 8. 9. [Besondere Aspekte ] - Diätetische Ernährung bei Krankheiten (Nier...

**[Ernährungslehre -- Staatsexamen]** *Übersicht über Vorlesungsthemen* [Grundlagen ] 1. 2. oxidative Stress  [Makronährstoffe (Träger des Energiegehalts) ] 3. 4. 5. 6. [Mikronährstoffe  ] 7. 8. 9. [Besondere Aspekte ] - Diätetische Ernährung bei Krankheiten (Niereninsuffizienz, Diabetees)  - Ernährung und Krankheitsprävention, Lebensmittelzusatzstoffe, „functional food und Nutraceuticals"  **1. Vorrede** [Warum Ernährungslehre im Pharmazie-Studium?] - *Time-Magazine:* - Titelblatt: *Fat Shock* (schaut in Spiegel, ist viel dicker, Europas große Gesundheits-Krise)  - Übergewicht & Adipositas: - Schadenfreude -\> USA schon viel früher dicker, aber in Europa auf einmal auch  - Grund somit: Ernährungsberatung, Apotheke soll auch Ernährungsberatend tätig werden kann - ABER: verlorener Posten, Werbung =**Targeting the Young** - zielt auf Kinder ab = sind besonders ungesund, sehr zuckerreich, süß   - Kaufmännische beeinflusst Verbraucher -\> wird belohnt wenn er richtig viel kauft (Mehr Essen als man will), kalorische Zufuhr nicht entsprechenden Verbrauch gegenübergestellt = somit Zunahme - **2. Energetische Aspekte der Ernährung (Kapitel 1)** Man muss Begriffe haben, um zu wissen was bei der Ernährung zu beachten ist. [Maßeinheiten der Energie] ***Kilocalorie (kcal):*** Eine Kilocalorie (kcal) ist die Energie, die notwendig ist, um ein 1kg Wasser von 14,5 °C auf 15,5 °C zu erwärmen. - *Warum diese °C*? - Definition ist zustande gekommen, da die Größe messbar war (13-14 Jh.) - durch Möglichkeiten der Analytik zustande gekommen (kg war neue Größe), Ansatz zur Vereinheitlichung - Tempdifferenz die man messen kann, außerdem musste Verdunstung nicht beachtet werden, so konnte man Energiemenge bestimmen die in Flüssigkeit gelandet ist (wie es bei hohen Temp. wäre) ***Joule:*** Ein Joule ist die SI-Einheit der Wärmeenergie -- sie ist grundlegend, nicht-abgeleitet und entspricht 1 Newtonmeter (mechanische Energie, Nm = Kraft mal Weg) und 1 Wattsekunde (elek. Energie, Ws = Leistung mal Zeit) \ [\$\$1\\ J = 1\\frac{\\text{kg\\ }m\^{2}}{s\^{2}} = 1\\ Nm = 1\\ Ws = 0,24\\ cal\$\$]{.math.display}\ [1 *kcal* = 4, 2 *kJ*]{.math.inline} (lineare Umrechnung) *Werbung McDonalds*: - Kilokalorie sollte schon verschwunden sein (stattdessen SI-Einheiten) -\> ist aber noch vorhanden - Kalorienangabe Burger in kcal (wird weiterverwendet), sollten Kalorienangaben auf Menü drucken um Fettleibigkeit einzuschränken (hat sich durch das aufdrucken der Angaben nicht viel geändert) [Direkte und indirekte Calorimetrie] ***Direkte Calorimetrie (Wärmemessung):*** - Mensch im geschlossenen Raum - Messung der *abgegebenen Wärme* in einem thermoisolierten und kontrolliert belüfteten Raum, meist wird die Wärme von Wasser aufgenommen - misst **Tempunterschied zw. Wasserein- und auslauf und durchgeflossene Volumen** - aus der Temperaturdifferenz des Wassers und des durchgeflossenen Wassermenge lässt sich die abgestrahlte Wärme messen (kcal o. J) - wenn gut isoliert ist = abgestrahlte Wärme wird vom durchfließenden Wasser aufgenommen (Wärmekapazität Wasser bekannt) - ansonsten Sauerstoffzufuhr und Abfuhr von CO~2~  - Abbildung stört das er sitzt, verbraucht auch schon kcal - aufwändig, teuer, immobil - [Verwendung: ] - eingeschränktes Anwendungsgebiet - ABER für *Messung des Grundumsatzes* essentiell ***Indirekte Calorimetrie:*** - Proband trägt Mundstück, mit dem die Atemluft kontrolliert zugeführt (Messung O~2~ -Gehalt) und abgeführt (Messung CO~2~ -Gehalt) wird - keine Wärmemessung, sondern der O~2~-Aufnahme und CO~2~-Abgabe - zur Produktion einer Energiemenge wird eine definierte Sauerstoffmenge benötigt - Atemexkursionen (in Lunge rein und raus pusten) werden gemessen, es kann der **Sauerstoffverbrauch pro Zeit** und die **Kohlenstoffdioxidproduktion pro Zeit** gemessen werden - muss wissen, welches Volumen der Mensch hin und her bewegt über die Zeit u. Anteil des zugemischten Sauerstoffs - statt Natronkalk (Absorption) wird heutzutage ein CO~2~-Sensor/Elektrode verwendet, der mit optischen Signal Durchfluss ermöglicht - CO~2~-Menge = Volumen · CO~2~-Menge - Messprinzip der indirekten Kalorimetrie funktioniert, da der respiratorische Quotient und das energetische Äquivalent der einzelnen Makronährstoffe bekannt sind - mit indirekten Calorimetrie können ganze Tagesprofile aufgenommen werden, miniaturisierbare und portable Methode - kann Sauerstoffverbräuche/CO~2~-Produktion in Abhängigkeit von Tätigkeiten messen - weniger präzise, ABER ermöglicht *Leistungsphysiologische Messungen* [Grund- und Erhaltungsumsatz] ***Grundumsatz:*** - *von direkter Kalorimetrie messbar* - keine konstante Größe, unterliegt zeitlichen und individuellen Schwankungen (z.B. im Schlaf niedriger, für Frauen niedriger, Einfluss Körpergewicht und Körperzusammen-setzung) - alleinige Deckung des Grundumsatzes reicht nicht aus, um einen Menschen am Leben zu erhalten! - [Messbedingungen Grundumsatz (meist direkte Calorimetrie):] 1\) völlige Körperruhe (liegend) 3\) Indifferenztemp., Umgebungstemp., entspricht der Temp. der unbekleideten Haut (22-23 °C, Körperkerntemp = 37 °C) - *Warum 12-24 h?* - Nahrungsaufnahme- und Arbeit des Darmes aufgenommene Nahrung zu resorbieren verbraucht Energie (aktive Leistung wie Muskelarbeit) - nach 12h ist Nahrungsresorption (also was Darm zu leisten hat) abgeschlossen - nach 24 h stellt sich Körper auf Hungerstoffwechsel ein = fängt an von Vorräten zu leben keine Grundsituation - *Indifferenztemperatur* - spielt Rolle für Energie die man aufbringt Temperatur gegen die man heizen muss - Temp. muss indifferent sein: ist im Moment weder kalt noch warm - [Messbeding. ist: ] - bekleidete Haut ist normalerweise warm, Hauttemperatur ist 22-24 °C (muss da herrschen) - Umgebungstemp. = Temp. der unbekleideten Haut (**22-24** °C) ***Erhaltungsumsatz:*** - Erhaltungsumsatz unterscheidet sich vom Grundumsatz vor allem durch **Synthesevorgänge** - Körper bildet sich fortwährend neu (Gewebeerneuerung etc.) - Muskelarbeit ist nicht im Erhaltungsumsatz enthalten - müssen ca. *50% zum Grundumsatz dazu gerechnet* werden, um auf den Erhaltungsumsatz zu kommen - Kalorische Aufnahme des Erhaltungsumsatz führt dazu, dass der Körper dauerhaft vom energetischen Gehalt der Nahrung leben könnte - **körperliche Belastung ist aber noch nicht berücksichtigt** [Respiratorischer Quotient und energetisches Äquivalent] ***Respiratorischer Quotient*** - drei Nahrungskomponenten (KH, Fette, Proteine), die *nicht den gleichen Beitrag* zur Energie, gemessen über O~2~ -Verbrauch und CO~2~-Abgabe, leisten - tragen unterschiedlich zu O~2~-Aufnahme und CO~2~-Verbrauch bei - zur vollst. Betrachtung noch Messung des [Urinstickstoffes] (3 Komponenten, 3 Messgrößen) - durch ausgeschiedenen Stickstoff auf Anteil des umgesetzten Eiweißes schließen - aus der nötigen O~2~ -Aufnahme und der resultierenden CO~2~ -Abgabe bei der Verstoffwechselung der versch. Nährstoffe wird der respiratorische Quotient RQ gebildet - RQ ist bei KH und Fetten relativ fest/konstant, größere Schwankungen bei Proteinen durch Abhängigkeit von Aminosäurenzusammensetzung - KH: O~2~-Aufnahme = der CO~2~ -Abgabe (in cm^3^ /g), deswegen ist der respiratorische Quotient gleich 1 - Proteine: 0,80 (Durchschnittswert) - Fette: 0,71 \ [\$\$RQ = \\frac{CO\_{2} - Abgabe}{O\_{2} - Aufnahme}\$\$]{.math.display}\ ***Energetisches Äquivalent*** - Quotient aus dem Energiegehalt einer Substanz (gemessen durch direkte Kalorimetrie) und dem Sauerstoffvolumen, welches für die vollständige Oxidation (bestimmt durch indirekte Kalorimetrie) benötigt wird - Ausmaß des **verbrauchten Sauerstoffes** hat gewisse **Proportionalität zum Energieumsatz** (kj) - das energetische Äquivalent beschreibt den Ertrag an Energie pro verbrauchtem Sauerstoff der einzelnen Nahrungskomponenten - in Reihenfolge *KH \> Fette \> Proteine* nimmt das energetische Äquivalent je leicht ab - mit Hilfe des energetischen Äquivalentes können, bei Kenntnis des respiratorischen Quotienten, u.a. Rückschlüsse auf die zur Energiebereitstellung vom Körper eingesetzten Nährstoffe gezogen werden - Messprinzip der indirekten Kalorimetrie funktioniert nur deshalb, weil wir vorbestimmte Werte haben, weil wir wissen wie RQ der einzelnen Nahrungskomponenten aussieht und welchen Ertrag pro verbrauchten Sauerstoff einzelnen Komponenten zuzuordnen ist Ernährung.jpg ***Tagesprofil*** - wird Energieumsatz \[kj/min\] gegen Uhrzeit aufgetragen - ist zu erkennen, welchen Einfluss versch. Tätigkeiten auf den Energieumsatz haben - *[grüne Balken:]* **Nahrungszufuhr** = Anstieg des Energieumsatzes - Verdauungsarbeit, Darm muss aufnehmen + Umformen der Komponenten - *[blaue Balken]*: **körperliche Tätigkeit** (Skelettmuskulatur kann Energieverbrauch am meisten variieren) ***Energieverbrauch bei verschiedenen Tätigkeiten*** - [Anfang der Ernährungslehre: Kalorimetrie entwickelt] - Frage: Was brauch der Mensch zum ernähren? - bis vor 50 Jahren waren LM knapp - *Folge*: erstellen von Tabellen über Energieverbrauch bei versch. Tätigkeiten - *Was wollte man mit solchen Messungen erreichen?* - *Krankenhaus-Essensplan:* Broteinheiten (BE), sind für Diabetespatienten um Insulinbedarf zu kalkulieren - 1 BE = 12 g Kohlenhydrat - *Lebensmittelkarte:* damals Rationierung (50 g Brot, 5 g Fett) -\> notwendiges Minimum *ABER* Angebot an Fett war sehr niedrig - zu wenig Kalorien 1946/47, dadurch schneller Krank, kann schneller zum Tod führen (empfindlicher) - *Durschnittserwachsene*: **2200-2600 kcal** täglich benötigt  [Zusammenfassung: ] - direkte + indirekte Kalorimetrie zur Messung des Energieumsatzes des Menschen - Kann physiologisch wichtige Größen erfassen (Grund- u. Erhaltungsumsatz) - Direkt: Wärmeabstrahlung Mensch gemessen - Indirekt: O~2~-Verbrauch + CO~2~-Produktion gemessen - RQ + energetische Äquivalent: Größen die man brauch um bei indirekten Kalorimetrie den Energieumsatz berechnen zu können - RQ-berechnen: CO~2~-Abgabe/O~2~-Aufnahme - 0,80 gilt bei Eiweißzufur in Mitteleuropäischen Gebiet - Energetische Äquivalent: Größe bei der man ableiten kann wie groß der Energieumsatz bei einer bestimmten Menge des Sauerstoffverbrauchs ist - für über Daumen Kalkulationen die Annahme eines Wertes von 20 kj/L O~2~ schon recht gut ist ***Physikalischer Energiegehalt*** = *Verdaubare Energie* - nicht die gesamte verbrennbare Energie eines Nahrungsmittels in einer Sauerstoffatmosphäre, sondern die gesamte Nahrungsenergie **abzüglich der unverdaubaren Energie** (Ballaststoffe) - 90% der Energie wird dem Organismus zugeführt - unverdaubare Energie geht *über Faeces oder Bakterienstoffwechsel verloren* (ca. 1-9%) - ist Energie an die Org. nicht dran kommt - bleibt im Darmlumen und wird über Stuhl ausgeschieden o. von Darmbak. gegessen - unverdaute, nicht resorbierte Nahrungsreste, Sekrete, Schleimhautzellen, MO ***Physiologischer Brennwert*** - verdaubare Energie ≠ Metabolisierbare Energie = physiologischer Brennwert - *verdaubare Energie haben wir nicht für Leistungen im Organismus zur Verfügung* - **Metabolisierbare Energie** ist *verdaubare Energie* (physikalischer Brennwert) *abzüglich der **Verluste durch Urin, Schweiß, abgestorbene Zellen*** (Methan, Wasserstoff) - Metabolisierbare Energe: damit kann Organismus umgehen = physiologischer Brennwert - [Was wird an energiereichen Verbindungen über den Urin abgegeben? ] - **Harnstoff**, Endprodukt des Proteinstoffwechsels mit kalorischem Gehalt (ca. 30 g Harnstoff am Tag) - nur wenn Organismus nicht funktioniert geben wir Glucose ab - nur die metabolisierte Energie steht für Leistungen des Körpers zur Verfügung - [Nutzung des physiologischen Brennwertes: ] - **50% Wärme**, Aufrechterhaltung der Kernkörpertemperatur, fakultative („freiwillige", parallel mit Muskelarbeit, je mehr Arbeit desto mehr Wärme produziert) und obligate (notwendige) Thermogenese (Wärmeerzeugung), hängt auch von der Isolierung durch Fettgewebe ab (Schwein besser als Rind mesten) - **6-10% Energie für die Verdauung** (Modifikation, Transport und Speicherung), Energie für Darm und Resorption im Darmlumen, das wir an Nahrung herankommen, müssen Energie reinvestieren bei zugeführten Energie um weiterhin Nahrung aufzunehmen - Rest: verfügbare Nettoenergie, verwertbar ***Physiologischer Brennwert der Nahrungsbestandteile*** - Fette weisen die höchste Energiedichte auf deswegen auch Speicherung der überschüssigen Nahrungsenergie in Fettdepots - somit bei möglichst wenig Körpergewicht viel Reserveenergie bei uns tragen - Umrechnung: geteilt durch 4,2 - Ethanol hat eine sehr große Energiedichte, alkoholische Getränke sind eine nicht zu vernachlässigende Energiequelle **Substanz** **kJ/g** **kcal/g** -------------- ---------- ------------ *Protein* 17 4,1 *KH* 17 4,1 *Lipide* 39 9,3 *Ethanol* 30 7,1 ***Ausnutzung der Nahrungsenergie, Energieeffizienz*** Nahrungsenergie: Summe der Energie im Essen (100%) *[Nutzung verfügbare Nettoenergie]* - **Grundumsatz** (hat auch z.T. etw. mit Wärmebildung zu tun) - **Bewegung und Muskelarbeit**, sofern mechanisch wirksam und nicht nur die Verlustleistung der Wärme angeht - **Wachstum** - **Fettansatz**, wenn pos. Energiezufuhr - **Lactation**, Milchbild., früher bei mehr Kindern noch größere Bedeutung - andere Energieverbrauchende Prozesse [Ausnutzungsgrad: ] - in welchen Ausmaß unser Organismus an den kalorischen Gehalt eines Nahrungsmittels rankommt - wie viel Prozent eines LM stehen als Nettoenergie zu Verfügung? - [Bsp.:]\ Gemüsesorten mit hohen Fasergehalt = geringe Ausnutzung, Fasern sind nicht verdaubar, sorgen für Gasbildung im Dickdarm, sind zwar energetisch aber kommen nicht dran - Geringerer Ausnutzungsgrad als bsp. bei Stück Fleisch, Salzkartoffeln ***Isodynamiegesetz*** - etwas veraltet, früher Fortschritt im Bereich der Ernährungslehre - *Jedes Lebensmittels, solange es denselben kalorischen Gehalt hat, kann an die Stelle eines anderen Lebensmittels treten* - es gibt keine Eigenschaften eines Lebensmittels, die nicht in einer chemisch-energetischen Dimension zu beschreiben sind - formuliert von Max Rubner (Gründer der Ernährungslehre in DE) - nicht ganz einwandfrei gültig, da es in der Nahrung **essentielle Bestandteile** gibt, die nicht durch andere ersetzt werden können und nicht für kalorische, sondern für bestimmte **Synthese-/Metabolismuszwecke nötig** sind (überlebensnotwendig) - z.B. Vitamine, essentielle Aminosäuren, essentielle Fettsäuren - essentielle AS, sind AS die wir brauchen, die nicht durch andere AS oder Mischung anderer AS ersetzt werden können selbst wenn kalorischer Gehalt gleich ist ***Spezifischer dynamischer Effekt bzw. thermogener Effekt*** - auch formuliert von Max Rubner - thermogener Effekt: [wärmeentstehender Effekt ] - der Energieumsatz steigt nach der Nahrungszufuhr - Nahrungszufuhr hat thermogenen Effekt - Rubner konnte dies vor allem bei sehr proteinreicher Nahrung beobachten und vermutete deswegen, dass spezifisch die Proteine dafür verantwortlich sind und nannte das ganze spezifisch dynamischen Effekt (lag aber an eingeschränkter Analytik) - alle kalorienliefernden Komponenten in der Nahrung haben thermogenen Effekt - Proteine haben den höchsten thermogenen Effekt, dann KH und dann Fette ***Body-Mass-Index (BMI)*** - BMI sagt etwas darüber aus, ob die Körpergröße und das Körpergewicht eines Menschen in der richtigen Beziehung zueinanderstehen bzw. ob der Mensch für seine Körpergröße den richtigen Ernährungszustand hat - [Normalgewicht] 18 bzw. 20-24 [Übergewicht:] 25-30 [Adipositas]: ab 30 /starke Adipositas: ab 40 - Übergewicht ist eine Grenzzone, wo gesundheitlich nachteilige Folgen ein geringes Ausmaß haben - mit Beginn der Adipositas ist mit deutlicher Verminderung der Lebenserwartung und gesundheitlich stark nachteiligen Folgen zu rechnen (chronisch degenerative Erkrankungen) - genauso ist Untergewicht mit einer verminderten Lebenserwartung und Leistungsfähigkeit verknüpft - Ernährungslehre sollte herausfinden wie man aus Untergewicht in normalen Zustand zurück kommt \ [\$\$BMI = \\frac{\\text{Gewi}cht\\ \\lbrack kg\\rbrack}{\\left( Größe\\lbrack m\\rbrack \\right)\^{2}}\$\$]{.math.display}\ **3. Die oxidative Phosphorylierung als Endstrecke des Energiestoffwechsels** **und der oxidative Stress (Kapitel 2)** - oxidative Phosphorylierung ist auch gewisse Belastung für unseren Organismus ***Adenosintriphosphat (ATP)*** - universale „*Energiewährung*" [aller Organismen] - **Adenin-Ribose-Triphosphat** (Adenosintriphosphat) - an Ribose 3 Phosphat-Gruppen (triphosphat), wenn einzeln verteilt würde man Trisphosphat nennen - *zwei der Bindungen* (Phosphorsäureanhydridbindungen, Phosphorester) sind *energiereich*, weisen eine hohe Hydrolyseenergie auf - die Bindungen in den Phosphatgruppen - an OH-Gruppe der Ribose ist Esterbindung (zählt nicht als energiereiche Bindung) - meist als Magnesiumkomplex (meistens so eingesetzt für die Reaktionen, die es betreiben soll) ***Energiereiche Bindung*** - ATP ist eine Substanz mit energiereichen Bindungen, die aber noch **nicht** dem **Maximum an Bindungsenergie** entsprechen - [ATP gespalten zu ADP] (Hydrolyseenergie 34,5 kJ/mol), wenn zu AMP (beide Phosphatgruppen abgespalten) + Pyrophosphat (energiehaltige Substanz) wird zu zwei anorganischen Phosphor gespalten (hat auch Hydrolyseenergie) - [Hydrolyseenergie: ] soll bsp. beim ATP bedeuten, wenn die terminale Phosphatgruppe abgespalten wird, dadurch Energie frei wird die für andere Reaktionen zur Verfügung steht - *Phosphokreatin* = **höher energiehaltige Bindungen** - [Phosphokreatin (Kreatinphosphatsystem) ist] [Energiereserve im Skelettmuskel]: Kreatin ist eine häufige Substanz im Skelettmuskel und kann phosphoryliert zur Regenerierung von ADP zu ATP - geschieht *bei schneller Belastung des Muskels* und noch *unzureichender Blutversorgung* (Muskel verarmt an ATP) - Kreatinphosphat-System ist **Puffer in Skeletmuskulatur**, wodurch es gelingt das ATP wieder zu stabilisieren ohne das Mitochondrien das leisten müssen (müssen ja warten bis durch Glykolyse Pyruvat für sie entstanden sind bevor ox. Phosphorylierung anspringt) - Synthese von Phosphoenolpyruvat (PEP) während der Glykolyse, Spaltung dessen für Synthese von ATP ***ATP-Synthese*** - durch die Hydrolyse anderer höherenergetischer Phosphoresterbindungen - Spaltung Phosphokreatinsysteme im Skelettmuskel - Abbauprodukt des Kreatins ist Kreatinin und das ist im Serum nachweisbar, Ausscheidung über die Niere (**Nierenfunktion bestimmen**), wird dort filtriert, ist deshalb Markersubstanz im Serum + Sammelurin um Filtrationsrate zu bestimmen - Spaltung Phosphoenolpyruvat während Glykolyse - rund **90% des ATPs** **aus** dem Vorgang der **oxidativen Phosphorylierung** - am Ende der Atmungskette aus kontrollierter Knallgasreaktion mithilfe der Reduktionsäquivalenten und der Elektronentransportkette zur Bildung eines Protonengradienten ***ATP-verbrauchende Reaktionen*** - [gebildetes ATP wird benötigt für: ] - Biosynthesen - kontraktile Vorgänge (Muskelarbeit) - Nervenleitung - Aktiver Transport - [einer der Hauptenergieverbraucher: ] **Natrium-Kalium-ATPase** (zum Aufbau eines Membranpotentials) - Vorkommen in allen Zellen, v.a. in Nerven- und Muskelzellen - durch Vorkommen der Na/K-ATPase ist Konz. an Na in der Mukose gering, wodurch Glucose/Galaktose mittels SGTL1 und Na in die Zelle resorbiert werden kann - Zellen im ZNS sind obligate Glucose-Verwerter - aktiver Transport - Skelettmuskulatur kann rel. gesehen den Energieverbrauch am stärksten steigern ***Oxidative Phosphorylierung*** - 90% des ATPs werden im Körper über die oxidative Phosphorylierung gebildet -- Sauerstoff muss in ausreichenden Mengen vorhanden sein (aerober Prozess) - Biologischer Prozess, der in allen **aeroben Lebewesen** stattfindet - *Teil des Energiestoffwechsels*, Energiegewinnung in Form von ATP - die zur Herstellung von ATP benötigte Energie wird dabei mittels der Atmungskette gewonnen, Erzeugung eines Protonengradienten - Umsetzung in chemische Energie über Chemiosmose (Energiegewinn durch Abbau eines (Protonen)gradienten - Beteiligung von Transportproteinen zum Transport von ATP aus der Matrix der Mitochondrien und Transport von ADP und P in die Matrix der Mitochondrien ***Mitochondrien*** - „*Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zellen"* - Doppelmembran und eigene mitochondriale DNA - äußere, umschließende Membran - innere, gefaltete Membran - *Matrix der Mitochondrien* ist Ort für *Citratzyklus* - *Innere Membran* ist Ort für *Atmungskette* - Cristae ist Bezeichnung für Schlaufen im Querschnitt eines Mitochondriums ***Citratzyklus*** - [Ort:] im *Inneren* (dem Matrixraum*) der Mitochondrien* - erstes Produkt: Citronensäure (Citrat) Namensgebend - [Warum so wichtig?] alle energieliefernden Komponenten der Nahrung landen im Citratzyklus - entscheidendes Intermediat ist **Acetyl-CoA** das in Verbindung mit Oxalacetat Citrat ergibt - [für Kohlenhydrate: ] Glykolyse bis hin zum Pyruvat im Cytosol der Zellen unter aeroben Bedingungen (in allen Körperzellen), Pyruvat wird wenn O~2~ da ist in Mitochondrien aufgenommen, oxidative Decarboxylierung des Pyruvats zum Acetyl-CoA - [für Fette: ] Sukzessive Abspaltung von Acetyl-CoA-Einheiten von den Fettsäuren - **energieliefernde Komponenten** = alles **kohlenstoffhaltige Verbindungen** - *Kohlenstoff entweicht als gasförmiges CO~2~* (wird abgeatmet) - [Kreisläufige Reaktionsabfolge]: - Anlagerung von 2 C-Atomen (über Acetyl-CoA) - Abspaltung von 2 C-Atomen (zweimal Decarboxylierung) - somit entsteht aus Substanz die 6C-Atome hat am Ende eine Substanz die 4C-Atome hat (Succinat), wird umgebaut, Oxalacetat immer noch 4-C-Atome - Acetat-Rest im Acetyl-CoA liefert 2 weitere C-Atome, kommt wieder zu Citrat mit 6C-Atomen - [Was hat der Organismus davon?] - **Wasserstoff wird freigesetzt** - Bildung von [Reduktionsäquivalenten], Wasserstoff gebunden an Überträgersubstanzen ([NAD oder FAD]) - Lieferung als NADH+H^+^ und FADH~2~ an die Atmungskette - gewissermaßen *konservieren* die Wasserstoffatome (in Form von Reduktionsäquivalenten) die *Energie der Nahrungsbestandteile* und *liefern* sie *an die Atmungskette* ***Ablauf*** 1. Anlagerung eines Acetyl-Restes aus einem Acetyl-CoA an Oxalacetat, hydrolytische Spaltung der Thioesterbindung zwischen Acetyl und CoA, Produkt der Anlagerung ist Citrat 2. Isomerisierung von Citrat zum Isocitrat (Position der OH-Gruppe ändert sich) 3. erste oxidative Decarboxylierung, Edukt Isocitrat, Produkt α-Ketoglutarat, Reduktion von NAD^+^ zu NADH+H^+^ 4. zweite oxidative Decarboxylierung unter Reaktion mit CoA, Edukt α-Ketoglutarat, Produkt Succinyl-CoA, Reduktion von NAD^+^ zu NADH+H^+^ 5. Hydrolyse der energiereichen Thioesterbindung, Freisetzung von CoA und Succinat, GDP und P reagieren zu GTP 6. Enzymatische Dehydrierung des Succinats zum Fumarat, Reaktion von FAD zu FADH~2~ 7. Wasseranlagerung an die Doppelbindung des Fumarats, Reaktion zum Malat 8. Reduktion der Hydroxygruppe des Malats, Bildung des Oxalacetats - GTP geht direkt in die energetische Verwertung, NADH+H^+^ und FADH~2~ gehen in Atmungskette und oxidative Phosphorylierung ***Atmungskette*** - **Multienzymkomplex** aus 5 einzelnen Atmungskettenkomplexen in der inneren Mitochondrienmembran (sehr komplex) - sehr viele Multienzymkomplexe in der inneren Mitochondrienmembran, die dazu auch zur Oberflächenvergrößerung gefaltet ist - [Komplex I]: *NADH+H^+^ liefert* das *Wasserstoffatom* ab (energiereicher) [Komplex II]: *FADH~2~* *liefert* das *Wasserstoffatom* ab (energieärmer) - Komplexe reichen Wasserstoffe von einem Komplex zum nächsten weiter - eine Abfolge von gekoppelten Redoxreaktionen - bei [Komplex IV] zunächst Schlusspunkt -- Reaktion von 2 H mit ½ O~2~ zu Wasser (**kontrollierte, in Teilschritte unterteilte Knallgasreaktion**) (Cyanid/Blausäure hemmt Komplex IV) - Sauerstoff muss bis in den Matrixraum des Mitochondriums gelangen - [Redoxreaktionen fördern Transport von Protonen aus Matrix in Intermembranraum] (Komplexe I, III und IV sind Protonenpumpen) dadurch ein **Membranpotential** und Konzentrationsgradient, elek. Feld - Protonengradient *liefert Energie für Komplex V* (ATP-Synthase) Rückfluss der Protonen in Matrixraum, *Reaktion von ADP und P zu ATP* - nur solange NADH und FADH~2~ geliefert werden vom Citratzyklus, wenn für diesen nichts mehr zu futtern ist, also wenn kein Glucose für Gylkolyse o Lipide o. Proteine nicht im Angebot sind kommt Aktivität zu erliegen, haben kein ATP mehr - ATP im Inneren des Matrixraumes, muss also damit was passieren kann noch raus transportiert werden - gekoppelte Redoxreaktion, wo am Ende Wasser entsteht und O~2~ verbraucht wird, bauen dabei elektrochem. Gradienten, Protonengradient auf, deshalb wollen Wasserstoffe zurück in Matrixraum, dabei betreiben sie die ATP-Synthese in Komplex 5 [Ubichinon 10/Coenzym Q10 + Cytochrom c] ***Ubichinon 10/Coenzym Q10:*** - Ubichinon 10 ist ein Chinon-Derivat mit lipophiler Isoprenoid-Seitenkette - Isoprenrest: Grund für Lipophilie weshalb Q in der Membran steckt - strukturelle Verwandtschaft mit Vitamin E und K - Ubichinon ist ein **Elektronen- und Protonenüberträger** **zwischen Komplex I und Komplex III** bzw. **Komplex II und Komplex III** der Atmungskette - hat Aufgabe innerhalb Lipidphase der Membran Wasserstoffatome zu tragen, sind Transporter - Diskussion: wie weit die Transporter geschwindigkeitsbestimmend sind und wie weit hieraus sogenannte reaktive Sauerstoffspezies entstehen  - Warum Q10? Weil neben dem Ringsystem ja noch die lipophilen Reste dabei sind und wenn sie zwei Isoprenreste hintereinander haben kommt man auf 10 C-Atome  Ernährung.jpg ***Cytochrom c:*** - Cytochrom c ist ein kleines Protein aus 104 Aminosäuren - Häm c als prosthetische Gruppe - Cytochrom c **vermittelt zwischen den Komplexen III und IV** - bei Beschädigung der Mitochondrien löst die Freigabe von Cytochrom c ins Cytosol den programmierten Zelltod aus ***Reaktive Sauerstoffspezies*** - *Chinon-Hydrochinon-Systeme* z.B. bei Coenzym Q und Cytochrom-Enzymen - Chinon kein perfektes Hydrochinon sondern [radikales Substanzgewand] (Semi-Chinon-Radikal)  - bei den Reaktionen bei denen Coenzym Q fortwährend zwischen Komplexen transportiert kommt es in gewissen **Regelmäßigkeit zur Bildung eines Semi-Chinon-Radikals** - dabei Entstehung von radikalischer Substanz (Semichinon-Radikal) mit einer gewissen Regelmäßigkeit - [ohne enzymatische Vermittlung:] entsteht spontan mit vorhandenem Sauerstoff ein **Superoxidanion-Radikal** (reaktive Sauerstoffspezies) - dabei wird Chinon regeneriert - *Enzymatisches System zur Entgiftung* **Superoxiddismutase** (SOD, im Inneren und außerhalb der Mitochondrien) - **Reaktion des Superoxidanionen-Radikal zu Wasserstoffperoxid** (kein Radikal), aus dem aber wieder radikalische Substanzen entstehen können - Wir haben den ersten Ursprung eines reaktiven Sauerstoffspezies beschrieben und als mögliche Quelle das Coenzym Q. Generell könnte man sagen Atmungsketten Komplex 1 oder 2 als Generator. - Atmungskettenkomplex I oder II als Generator von Superoxidanionen-Radikalen - Superoxiddismutase bildet aus Superoxidanionen-Radikalen Wasserstoffperoxid - [Konsequenz der Bildung von Wasserstoffperoxid: ] - relativ gut membrangängig in anderen Zellbereichen können eine Reihe von *anderen Reaktionen mit Wasserstoffperoxid* stattfinden - [Problem Fenton-Reaktion: ] **Hydroxyl-Radikal** entsteht, dies ist sehr kurzlebig und reaktiv, reagiert mit allem in der Nähre, dadurch Reaktion mit anderen Molekülen in der Nähe, wodurch andere biochemische/biologische Reaktionen gestört werden -  *also es ist die Reaktivität dieses Radikals was dazu führt, dass alle möglichen biologischen Reaktionen jetzt in andere Bahnen gelenkt und gestört werden * - bei hinreichender enzymatischer Aktivität (Katalase und GSH-Peroxidase) gibt es Entgiftung von Wasserstoffperoxid und eine weitgehende Verhinderung der Fenton-Reaktion (v.a. durch Katalaseaktivität im Cytosol) - der normale Betrieb der Atmungskette führt zu einer Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (Superoxidanion-Radikal), diese können durch die Superoxiddismutase unter Bildung von Wasserstoffperoxid entgiftet werden - die Bildung von Wasserstoffperoxid ist aber noch nicht ausreichend, da aus Wasserstoffperoxid weitere reaktive, radikalische Sauerstoffspezies (v.a. Hydroxyl-Radikale) gebildet werden können - muss sich an der Aktivität der Superoxiddismutase weitere entgiftende Reaktionen anschließen. Auch wenn eine weitgehende Entgiftung erfolgt, eine perfekte Entgiftung ist unwahrscheinlich und im **Lauf des Lebens können Probleme akkumulieren**  ***oxidativer Stress*** - *ATP-Synthese Sauerstoffverbrauch und der Betrieb der Atmungskette* führt zu [oxidativem Stress] durch die unvermeidbare *Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies* - im Laufe des Lebens können auf diese Weise **Probleme akkumulieren** *Chronisch degenerative Erkrankungen, Alterung* - [Grund für die unterschiedlichen Lebenserwartungen von Individuen: ] mitochondriale Aktivität steht im proportionalen Zusammenhang zu oxidativem Stress als Ursache von chronisch degenerativen Erkrankungen und eine kürzere Lebenserwartung - [zweite Theorie des Alterns (bezogen auf Genetik):] hängt mit DNA-Struktur und Chromosomen zusammen, Telomere (wahren Intaktheit der Gene) der Chromosomen werden bei jeder Teilung stückweise ein wenig kürzer, Präzision der Transkription und Translation nimmt mit der Zeit ab (**Telomerhypothese**) - Wir haben einmal von der Genetik her einen Mechanismus der dazu führt, dass die Präzision der Translation und Transkription am Ende dann nachlässt und wir haben hier einen Mechanismus der Proportional zur Aktivität der Mitochondrien zu chronischen degeneratvien Erkrankungen führt - Untersuchungen an Nagern Tiere, die ein um 30-50% kalorienreduziertes Nahrungsangebot wie eine Kontrollgruppe, die nach Belieben futtern durften, bekamen, wiesen im Vergleich ein durchschnittlich höheres Lebensalter und auch ein höheres Maximalalter auf (hat Alterungsprozess verzögert) - hyperboler Zusammenhang zwischen der mittleren Lebensdauer (MLSP) (in Jahren) und der Standardmetabolisierungsrate (SMR) (in kcal pro g KG und Tag) von Säugern - **Je kleiner ein Lebewesen, desto größer das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, desto mehr Wärmeverlust, desto höher der benötigte Energieumsatz** - Je mehr Energieumsatz pro g KG und Tag, desto kürzer die mittlere Lebensdauer - Organismen die einen *hohen Energieumsatz* haben, haben eine *kürzere Lebensdauer* als Organismen, die einen *niedrigen Energieumsatz* haben.  - [Grund: ] ***chronisch degenerative Erkrankungen, Antioxidantien*** - Erscheinungen/Erkrankungen, die durch die Abnutzung oder Alterung von Zellen entstehen - der betroffene Teil des Körpers bildet sich im Rahmen einer degenerativen Erkrankung zurück und verliert im Laufe dieser Entwicklung seine Funktion - Beispiele: Arthrose, Arteriosklerose, multiple Sklerose, Alzheimer, Osteoporose - ein Grund für die Entstehung im höheren Lebensalter könnte oxidativer Stress sein, mögliche Prophylaxe sind Antioxidantien (aber es ist schwierig, diese gezielt einzusetzen) - Behauptung, dass die Aufnahme von Coenzym Q10 zu einer Verminderung des oxidativen Stresses führen könnte, ist nicht wissenschaftlich bewiesen - durch antioxidativ wirksame Stoffe, wie z.B. Vitamin E, Vitamin C, Polyphenole, kann die Wirkung von reaktiven Sauerstoffspezies auf umliegendes Gewebe/Zellbestandteile verringert werden - Reaktive Sauerstoffspezies reagiert vornehmlich mit dem Antioxidans **4. Kohlenhydratstoffwechsel (Kapitel 3)** **Monosaccharide** - [Unterscheidung zwischen Aldosen und Ketosen ] - **Aldosen** weisen **Aldehyd-Gruppe** auf - **Ketosen** weisen **Keto-Gruppe** auf - *Grundgerüst:* Kette aus Kohlenstoffatomen (3-6 oder mehr) - [Bezeichnung je nach Anzahl der Kohlenstoffatome ] - weisen eine Carbonyl- und min. eine Hydroxygruppe an einem asymmetrischen C-Atom auf - [einfachste Aldose]: **Glycerinaldehyd** (3C) - [einfachste Ketose]: **Dihydroxyaceton** (3C) weist noch kein Stereozentrum auf, aber Erythrulose (4C) dann schon - Glycerinaldehyd und Dihydroxyaceton kommen in phosphorylierter Form in der Glykolyse vor - [Unterscheidung zwischen D- und L-Zuckern ] - entscheidend ist die *Orientierung der OH-Gruppe* an dem *asymmetrischen C-Atom*, das am *weitesten vom am höchsten oxidierten C-Atom (Carbonyl-Gruppe) entfernt ist* - in der Fischer-Projektion: - zeigt OH-Gruppe nach **rechts** = **D-Zucker** (dexter) - zeigt OH-Gruppe nach **links = L-Zucker** (levus) - kein Zusammenhang zwischen Drehrichtung des polarisierten Lichtes und der D/L-Konfiguration! - „Stammbaum" der Monosaccharide durch systematisches Einfügen einer CHOH-Gruppe unter der CarbonylGruppe - Ernährungsphysiologisch wichtig sind: Glucose, Galactose, Fructose Ernährung.jpg  Ernährung.jpg  ***Glucose, Galactose, Fructose*** - in der *Natur* kommen *nur D-Zucker* vor - ***Epimere***: Stereoisomere mit min. 2 Stereozentren, die sich nur an einem Stereozentrum unterscheiden - ***Mannose:*** wird ähnlich wie Glucose verstoffwechselt, hat eine ähnliche Funktion im Stoffwechsel, Transport durch dieselben Transporter (wie Glucose), Anregung der Insulinproduktion (Insulinproduzierende Zellen in Bauchspeicheldrüse die auf Glucose reagieren, reagieren auch auf Mannose), wenn auch deutlich schwächer, Epimer zu Glucose - ***Glucose:*** zentrales Kohlenhydrat im Stoffwechsel, ZNS ist obligater Glucose -Verwerter, Blutzuckerspiegel (Aldohexose, Monosaccharid) - ***Galactose***: zusammen mit Glucose im Milchzucker (Lactose) enthalten, ist ernährungsphysiologisch wichtig (Aldohexose, Monosaccharid) - ***Fructose:*** bildet zusammen mit Glucose den Haushaltszucker (Saccharose) ***Ringform, halbacetalische Hydroxylgruppe*** - Glucose liegt nicht dauerhaft in der Fischer-Projektion vor - in wässriger Lösung kommt es zum **intramolekularen Ringschluss** - hydratisierte Form entsteht, eine Gluco-Pyranose (in Haworth-Projektion s.o.) - es wird eine *reaktive OH-Gruppe* durch den intramolekularen Ringschluss *gebildet* - **halbacetalische oder anomere OH-Gruppe** - Ursache dafür, dass sich mehrere Monosaccharide zu Disacchariden usw. verbinden können - intermolekularer Ringschluss kann untersch. Verlaufen: OH-Gruppe kann sich in untersch. Positionen zur Ringebene aufhalten (α,β) - [Ausbildung eines neuen Stereozentrums ] **α- oder β-Konfiguration der anomeren OH-Gruppe** stehen über offenkettige Form im Gleichgewicht - Diese Isomerie, also da je nach Art des Ringschlusses zwei untersch. Glucoseiosmere entstehen können, nennt man Anomerie - ***Mutarotation:*** schnelles Öffnen und Schließen des Ringes in wässriger Lösung, Konfigurationsänderung möglich, Änderung des Drehwinkels der Lösung bis zur Einstellung des Gleichgewichtes  ***Disaccharide*** - durch die Bildung einer halbacetalischen OH-Grp. Können sich Monosaccharide verbinden - zwei Monosaccharide verbunden über eine **Vollacetalbindung/glykosidische** Bindung - [Art der Verknüpfung definiert ein Disaccharid:] Trehalose, Maltose und Cellobiose sind alles Glucosyl-glucoside (2x Glucose), aber *unterschiedlich verknüpft* - Trehalose: α-Glucosyl-(11)-α-glucosid - Maltose: α-Glucosyl-(14)-glucosid - Cellobiose: β-Glucosyl-(14)-glucosid - Maltose, Trehalose können wir verdauen, Cellobiose dagegen eher schwieriger - [Cellobiose:] - Bestandteil der Cellulose, die ein Polymer aus Glucose-Resten ist (ß-glykos. Bind.) - ß-glykos. Bind. Können in Polymeren nicht gespalten werden - ist ein Gerüstkohlenhydrat der Pflanzen, massenhaft vorhanden, Grundlage der Papierproduktion - [wichtige Disaccharide: ] - Lactose (Milchzucker), Saccharose (Haushaltszucker), Maltose (Stärkeabbauprodukt) ***Vollacetal*** - wenn *zwei anomere OH-Gruppen* an der *Ausbildung des Vollacetals beteiligt* sind, handelt es sich um einen **nicht-reduzierenden Zucker** - ist nur *eine anomere OH-Gruppe* an der *Verknüpfung beteiligt*, kann das andere Monosaccharid den *Ring öffnen, Mutarotation eingehen* und **reduzierend wirken** - [nur drei Verbindungstypen ] - **Kondensation zweier anomerer (glycosidischer) OH-Gruppen** - **Kondensation einer anomeren OH-Gruppe und einer OH-Gruppe am C4-Atom** - **Kondensation einer anomeren OH-Gruppe und einer OH-Gruppe am C6-Atom** - es entstehen *reduzierende Disaccharide* (z.B. Isomaltose) [Lactose, Saccharose ] ***Lactose*** - **β-Galactosyl-(14)-glucosid** - in Dimeren können β-glykosidische Bindungen gespalten werden, in Polymeren (z.B. Cellulose) nicht, ist somit verdaulich und Monomere können resorbiert werden - [Hauptenergiequelle bei der Säuglingsernährung: ] - Als Säugling extenziell auf Lactose angewiesen - Wachstum durch Muttermilch - Grund: kalorische Gehalt der Lactose - Organismus muss in der Lage sein, Lactose zu spalten, um dieses kalorisch verwerten zu können - [Lactoseintoleranz ] - *physiologischer Normalzustand* (2/3 der Weltbevölkerung betroffen*)*, Enzymexpression der Lactase im Darm nimmt mit Laufe des Lebens ab - bei Lactasemangel gelangt Lactose in den Dickdarm und wird dort von MOs verstoffwechselt, es kann zu Durchfall durch Wasserretention oder Flatulenzen durch Gasbildung kommen - Gesundheitlich nicht problematisch, nur unangenehm ***Saccharose*** - Rohrzucker, Rübenzucker, Haushaltszucker - **α-Glucosyl-(12)-ß-fructosid** - *nicht-reduzierender Zucker* - Zuckerrübe so gezüchtet ***Polysaccharide*** - aufgebaut aus **min. 10**, meistens aber eher **mehrere 100-1000**, Monosaccharid-Einheiten, verknüpft über *glykosidische Bindung* - [wenn nur eine Art von Baustein: ] **Homoglykane** (z.B. Glykogen, Stärke, Cellulose, Pektin) - [wenn mehrere Arten von Bausteinen] **Heteroglykane** (z.B. Carubin, Alginat, Xanthan) - [Unterscheidung durch Verknüpfungsart ] - *linear* z.B. Cellulose, Amylose - *verzweigt* z.B. Glykogen, Amylopektin - wie alle glykosidisch gebundenen Verbindungen sind Polysaccharide über saure Hydrolyse oder Enzyme spaltbar ***Stärke, Amylose, Amylopektin*** - Stärke ist ein *pflanzliches Reservekohlenhydrat* (Cellulose ist ein Gerüstkohlenhydrat) - [Worfür wird es gebraucht? ] - Fortpflanzung - sind Grundlage der menschlichen Ernährung wenn es um KHzufuhr geht - [Stärke besteht aus zwei Komponenten] - **Amylose**, ca. 1/3 der Stärke, lineares α-(14)-glykosidisch verbundenes Glucosepolymer - **Amylopektin**, ca 2/3 der Stärke, α-(16)-Polymer mit α-(16)-Verknüpfungen - [Amylose ] - zusammengesetzt aus *ca. 200-1000 α-D-Glucose-Einheiten* (Molekulargewicht: ca. 50-200 kDa) - in Form einer **Helix** gewickelt, je Windung ca. 6-7 Glucose-Einheiten - in die so gebildete „Röhre" können sich **Triiodid-Ionen einlagern**; dieser Komplex weist bei mehr als 50 GlucoseEinheiten eine tiefblaue Färbung auf **Iod-Stärke-Reaktion** - Amylose ist in heißem Wasser löslich und bildet so leicht ein Gel - aus diesen Gelen kann Amylose aber leicht wieder Auskristallisieren (Retrogradation) dadurch wird z.B. Brot „altbacken" - [Amylopektin ] - zusammengesetzt aus *ca. 1000-5000 α-D-Glucose-Einheiten* (Molekulargewicht: ca. 200-1000 kDa) - im Mittel **alle 25 Glucose-Einheiten** am α-(14)-verknüpften Rückgrat eine α-(16)-Verknüpfung zu einer seitlichen Verzweigung - auch *teilweise spiralig gewickelt*, aber nur in kurzen Abschnitten - quillt oberhalb von 60°C in Wasser auf, löst sich jedoch nicht und retrograduiert aus dem Gel viel langsamer als Amylose ***Glycogen*** - Glycogen ist wie Amylopektin ein *verzweigtes Glucosepolymer*, aber das **Speicherkohlenhydrat der tierischen Organismen** - typischerweise in *Leberzellen* enthalten, aber auch *Ablagerungen im Muskel* - Leber kann Glycogen aus aufgenommener Glucose synthetisieren, damit osmotischer Druck in den Leberzellen nicht so groß wird - kann Glucose nicht als Monomer speichern - Verringerung des osmotischen Druckes in den Leberzellen, im Vergleich zu einer entsprechenden Ablagerung von Monosacchariden - Synthese von Glycogen o. Amylopektin ist die Antwort der Natur auf die Wasserbindungskapazität der Glucose und den daraus erzeugten osmotischen Druck im Inneren der Zelle - hohes Molekulargewicht - **struktureller Unterschied ist allein der Verzweigungsgrad** - Glycogen: ca. *alle 10 Einheiten* eine Verknüpfung - Amylopektin: ca. *alle 25 Einheiten* eine Verknüpfung - ABER: prinzipiell gleichartiger Aufbau als linearer Strang mit Verzweigungsstellen - Abbau prinzipiell über Amylasen möglich, aber im Körper durch spezielle Phosphorylasen, Angriff vom nicht-reduzierenden Ende her und Abspaltung von einem Glucose-1-phosphatMolekül - ca. 60% der in der Leber ankommenden Glucose werden normalerweise für die Synthese von Glykogen aufgewendet, der Rest geht ins Blut und bildet den Blutzuckerspiegel ***Kohlenhydratverdauung*** - [Stärkelieferanten Nahrung: ] alles vom Bäcker, Sättigungsbeilagen wie Kartoffeln, Reis, Nudeln - **nur Monosaccharide können resorbiert werden**, Polysaccharide/Disaccharide müssen aufgespalten werden - Spaltung von Polysacchariden im Mund zu einem kleinen Teil durch *Speichelamylase*, wichtiger ist Einwirkung der *Pankreasamylase* im Dünndarm - im Lumen werden keine Monomere gebildet, nur Oligosaccharide - **Spaltung von Disacchariden** durch spezifische, **membranständige Disaccharidasen** - Glucose und Galactose werden aktiv gegen den Konzentrationsgradienten transportiert (mit Natrium - Cotransport, SGLT1) - Fructose wird passiv resorbiert - [Effizienz der Transportsysteme bestimmt Resorptionsgeschwindigkeit ] - Glucose und Galactose am schnellsten, in Konkurrenz miteinander um SGLT1 - Fructose etwa mit 70% der Geschwindigkeit - andere Monosaccharide und Zuckeralkohole mit ca. 10 -20% der Geschwindigkeit - Fructose wird später im Stoffwechsel noch in Glucose umgewandelt ***Amylase*** - *Speichelamylase* weniger wichtig für die Verdauung von Stärke - *Pankreasamylase* Bauchspeicheldrüse ist Hauptlieferant für Amylase, gebildet durch die exokrinen Pankreas (Teil der Bauchspeicheldrüse, in dem Verdauungsenzyme entstehen), Abgebe in den Zwölffingerdarm - die Amylase **spaltet α-(14)-Bindungen** der Amylose und auch des Amylopektins, aber α-(1 6)-Verknüpfungen können nicht gespalten werden (dafür extra Enzym) - Endprodukt der Amylase-Spaltung von Amylose ist Maltose - Endprodukt der Amlysae-Spaltung von Amylopektin sind Maltose und Grenzdextrine - [Grenzdextrine]: ***Di- und Oligosaccaridasen*** - Disaccharide wie Lactose, Saccharose, Maltose müssen vor der Aufnahme in die Zellen der Darmschleimhaut in die Monosaccharid-Bestandteile aufgespalten werden - Enzyme zur Spaltung der Disaccharide sitzen außen auf der Plasmamembran der Darmzellen (Epithelzellen Grenzgewebe) - Seite nach draußen: Apikalseite - Seite nach innen: Vasolateralseite - [Disaccharidasen: ] - *Lactase* für Lactose - *Maltase* für Maltose - *Saccharase* für Saccharose ***Natrium-Glucose-Cotransport*** - Monosaccharide gelangen über **Cotransport mit Natrium** (Na+ -Cotransport-Carrier) **in das Innere** der Epithelzelle -- aus der Epithelzelle wieder heraus erfolgt ein passiver Transport - [SGLT1 -- Natrium-Glucose-Cotransporter ] - im *Inneren* der Zelle ist die *Natriumkonzentration geringer*, durch die **K/Na-ATPase** wird Natrium ständig unter ATP-Verbrauch aus dem Inneren der Zelle transportiert (3 Na raus, 2 K dafür hinein, Bildung eines Membranpotentials) - der Transport von Natrium in die Zelle ist dadurch energetisch günstig und die Energie kann für den Transport von Glucose in die Zelle verwendet werden - durch die Kopplung des Na-Einstroms an den Transport der Glucose ist es möglich, dass diese von einem Bereich niedriger Konzentration in einen Bereich hoher Konzentration gebracht wird - relativ schnelle Aufnahme von Glucose - SGLT1 transportiert auch Galactose, Konkurrenz um Bindungsstellen - durch die hohe Glucosekonzentration in der Epithelzelle kann Glucose diese wieder über einen Transporter (Glut2) oder **passive Diffusion** verlassen - SLGT2 transportiert einen Teil der eigentlich zur Ausscheidung bestimmte Glucose aus der Niere zurück in die Blutbahn - *[Sinn des Ganzen: ]* durch die Kopplung der Glucose u. Galactose-Aufnahme an den Na-Einstrom, ist es möglich Glucose gegen das Konzentrationsgefälle in die Zelle zu befördern, treibende Kraft für die Aufnahme ist, dass Na außen in hoher Konzentration, innen in geringer, ermöglicht das Glucose gegen Gradienten aufzunehmen ist [Glucose (Monosaccharid)-Transporter ] - ***GLUT1:*** - Blut-Hirn-Schranke, Membran der roten Blutkörperchen - ***GLUT2:*** - passiver Transporter zur Erleichterung der Diffusion aus der Darmepithelzelle heraus, nicht insulin-abhängig - Vorkommen in der Leber zur Aufnahme von Glucose aus der Umgebung in die Leber zur Bildung von Glycogen (Glucose fließt über Pfortaderblut zur Leber -- alle unpaaren Bauchorgane geben ihr Blut an Pfortader ab) - Vorkommen in Bauchspeicheldrüsenzellen (Langerhans'sche Inseln), die das Insulin produzieren - ***GLUT4:*** - Insulin-abhängiger Glucoset-Transporter an der Plasmamembran - ***GLUT5:*** - Erleichterung des passiven Transports von Fructose in die Darmepithelzellen langsame Resorptionsgeschwindigkeit als Glucose oder Galactose in das Blut - aus den Darmzellen heraus dann über GLUT2 in die Pfortader ***Kohlenhydratverbrauch/-angebot*** - [früher:] sehr *viel mehr Aufnahme von Kohlenhydraten aus Getreide* (Brot) oder *Kartoffel* (in Form von Stärke), klassische Kohlenhydratspender - hat als Grundlage abgenommen - heutzutage **deutliche Zunahme des Anteils an Kohlenhydrataufnahme durch Zucker** (Saccharose) durch mehr Konsum von *vorfabrizierten Lebensmitteln* - Zuckeraufnahme zu zusammen ca. 40% aus Süßwaren und Getränken - ansonsten z.B. über Backwaren, Speiseeis/Milchprodukte, Marmelade/Obstkonserve, nicht industriell verarbeiteter Haushaltszucker, Fertigwaren - auch leichte Zunahme von Kohlenhydratzufuhr durch Obst und Gemüse - Geschmacksgradienten die Menschen dazu bringen etwas zu kaufen sind salzig, fettig, süß - KH-Zufuhr insgesamt hat abgenommen und die klassischen KH-Quellen sind weniger geworden - [Technische Saccharide: ] - Dextrine: kurze Stücke eines α-(14)-verknüpften Glucosepolymers, im Prinzip gespaltene Amylose - Invertzucker: hydrolysierte Saccharose, Fructose und Glucose im Verhältnis 1:1 - Glucosesirup: vollständig hydrolysierte Stärke, billigste Art, um Glucose zu erhalten ***Inulin*** - Substanz die man injiziert und mit der man die glomelunäre Filtrationsrate zu bestimmen - *Nierenfunktionsparameter* - **Warum?** ist ein wasserlösliches Fructosepolymer und kann im Körper nicht transportiert werden (muss deshalb zugeführt werden) - im Nierentubulus-System gibt es keine Transporte - [kann grundsätzliche Erkenntnis fördern: ] Nieren- und Darmtubulus haben es gemeinsam, dass sie Transporter haben, die Glucose o. Monosaccharide generell transportieren können und etw. wie Inulin ist nicht transportierbar für menschliche Epithelzellen ***„Fun Facts" zu Diabetes*** - [Diabetische Lebensmittel: ] - Diabetische Lebensmittel sind eher *[schädlich]* als nützlich und dabei auch überteuert -- weisen einen zu hohen Fructose-, Energie- und Fettgehalt auf - Fructose soll Glucose und Saccharose als Süßungsmittel ersetzen und durch die langsamere Anhebung des Blutzuckerspiegels eine geringere Auswirkung auf Diabetiker haben - insgesamt kann die Fructose aber nichts am Tagesprofil des Blutzuckerspiegels ändern - unabhängig vom kalorischen Gehalt wird auch diskutiert, ob Fructose störend auf die Blutzuckereinstellung wirken kann und damit vielleicht sogar prodiabetisch wirkt - es gibt unterstützende medikamentöse Ansätze für Diabetiker, die auf der Hemmung von Disaccharidasen im Darm beruhen, sodass die Resorption von Glucose geringer ist im Hungermodus können Zellen anfangen Ketonkörper zu produzieren, was bei einer zu hohen Konzentration im Blut zu einer Ketoazidose führen kann - Diabetes ist mit einem intrazellulärem Hungerzustand bei Überangebot von Blutglucose gleichzusetzten, da die Glucose nicht mehr in die Zellen aufgenommen werden kann - **[Typ 1-Diabetes: ]** wird durch einen absoluten Mangel an Insulin verursacht, insulinunabhängige Diabetes, keine Funktionsfähigkeit mehr der β-Zellen der Langerhansschen Inseln im Pankreas, beginnt meist im Kindes-/Jugendalter - **[Typ 2-Diabetes]**: verminderte Empfindlichkeit der Körperzellen für Insulin (Insulinresistenz) und jahrelange Überproduktion von Insulin führt zu Abnutzung der β-Zellen, oft schleichender Beginn, neben einer erblichen Veranlagung sind Übergewicht und Bewegungsmangel Verursacher **5. Lipidstoffwechsel (Kapitel 4)** ***Einstieg*** - Anteil der kalorienliefernden Komponenten im Nahrungsmix (KH, Fette, Proteine) abgebildet - Wenn die Nahrung knapp ist = Anteil der Fette knapp (z.B. 1950) - Starker Zuwachs der Fettaufnahme: Währungsreform, Freigabe der LMmärkte, Abschaffung der LMkarten - Heutzutage steigt der Anteil des Fettes weiter - Akohol-Menge pro Kopf ist ca. gleich geblieben - Fette und KH werden vom Organismus als Brennstoff verwendet ***Triglyceride*** - *größter Anteil an den Nahrungsfetten* (machen 90-95% aus, Nahrungsfett = Triglyceride) - [Grundgerüst:] Glycerol an dem 3 FS verestert sind - liegt als Glycerophosphat vor, an dem 2 FS zu binden sind - Veresterungsreaktionen benötigt Aktivierung der Fettsäuren (**Acetyl-CoA ester**), können nicht direkt gebunden werden - CoA-Ester aus Vitamin (später betrachten) - [Biosynthese: ] 1\. vorliegen von phosphoryliertem Glycerin (Glycerol-3-phosphat), gebildet durch Reduktion von Dihydroxyacetonphosphat aus der Glycolyse) 2\. Veresterung mit zwei aktivierten Fettsäuren (Thioesterbindung zu Coenzym A, ein Acyl-CoA) unter Abspaltung von CoA-SH 3\. Bildung einer Phosphatidsäure (das einfachste Phospholipid) 4\. hydrolytische Abspaltung der Phosphogruppe und Veresterung mit einem dritten Acyl-CoA 5\. Bildung von Triacylglycerin (Triglycerid) - Typischerweise an Position zwei eine Veresterung mit einer (mehrfach) ungesättigten FS, randständig überwiegend gesättigt - Kettenlängen zwischen 14-22 gibt untersch. Zusammensetzungen der Triglyceride ***Phospholipide*** - *Grundbausteine der Phospholipid-Bilayer* (Doppelmembran) - Glycerol-Grundgerüst, zwei veresterte Fettsäuren, ein Phosphor-Rest, an den noch ein weiterer Rest gebunden sein kann - [Warum so dargestellt?] legt man mehrere nebeneinander, kann man sich vorstellen, dass es Grundgerüst einer Membran ist - besitzen eine **hydrophobe** und **hydrophile Seite** - mengenmäßig in der Nahrung nicht so bedeutend, ca. 1-2% - [Wie kriegen wir Phospholipide zu essen?] - **Phosphatidylcholin bzw. Lecithin** - (Cholin als Rest), 50% in den Biomembranen, beliebter Emulgator, für die Ernährung das wichtigste Phospholipid, häufigste Membran Phospholipid (Eigelb) - **Phosphatidylserin** - (Aminosäure Serin als Rest) als Indikator für beginnende Apoptose auf Außenseite von Plasmazellen, eigentlich nur auf Innenseite der Bilayer - **Phosphatidylethanolamin** - (Ethanolamin als Rest) ist ein Phospholipid ohne besondere Eigenschaften (Zitat!) - **Phosphatidylinositol** - (mehrwertiger, cyclischer Alkohol Inositol als Rest) - Ausgangspunkt für Signalkette mit der Spaltung des Phosphatidylinositolbisphosphat durch Phospholipase C, Entstehung zwei Second Messenger, Inositoltrisphosphat und Diacylglycerol KH.jpgKH.jpg  ***Cholesterin*** - *2-3% Anteil an Nahrungsfett* - [Struktur: ] vier Ringe (A, B, C sind Sechsringe, D ist ein Fünfring), Beginn der Zählung in Ring A, nach den Ringsystemen die Methylreste, dann der Alkylrest - insgesamt 27 C-Atome, eine OH-Gruppe an C3 und Doppelbindung zwischen C5 und C6 - vollständig synthetisierbar im Körper aus Acetyl-CoA (Terpenbiosynthese) - **Bestandteil jeder Biomembran**, OH-Gruppe am C3 zeigt dabei nach außen, zwischen [10-20% der Membranlipide sind Cholesterin] ***Funktion von Cholesterin*** ***1) Membrankomponente*** (20% der Lipide sind Cholesterin) ***2) Vorstufe von Cholesterin ist auch Vorstufe von Vitamin D*** - (Vitamin D ist körpereigen herstellbar und deswegen streng genommen kein Vitamin) - UV-Licht spaltet beim Cholesterin einen Ring, Vit. D bildet sich ***3) Hormone*** - Ausgangsubstanz für Steroidhormone (Sexualhormone) aus der Nebennierenrinde oder der Gonaden (in Geschlechtsdrüsen) - Hormone die Gonaden herstellen sind Progesteron, Testesteron.. (Cholesterin-Derivate) ***4) Lipoprotein*** - in der Transportform Lipoprotein enthalten, nicht frei im Blut gelöst (schlecht wasserlöslich) ***5) Atherosklerotische Plaques*** - Fehltransport im Blut führt dazu, dass sich Cholesterin in den Blutgefäßen ablagert - Verkalkung, Herzinfarkt, Schlaganfall ***6) Ausgangssubstanz für Gallensäure*** - Gallensäure ist Bestandteil der Galle, die in der Leber produziert und in der Gallenblase gespeichert wird ***7) Bildung von Gallensteinen in der Gallenblase*** - wenn nicht genug durch Gallensäuren emulgiert (wenn es zu lange in Gallenflüssigkeit rumschwimmt fällt es aus und führt zur Bildung von Gallensteinen) ***Galle, Gallensäuren*** - *[Galle:]* ist eine Flüssigkeit, die in der Leber gebildet wird und zur Lipidverdauung benötigt wird - *[typischerweise sind drei Komponenten enthalten]*: - **Cholesterin, Lecithin, Gallen-säuren** - auch Bilirubin als Gallenfarbstoff - Zusammensetzung in der Gallenblase ändert sich - Zusammensetzung der Galle hat gewisses Problem - *es bilden sich relativ leicht Cholesterinkristalle* - nur ein enger Bereich mit drei Phasen (reine micellare Lösung) - [Roter Bereich:] *ideale Zusammensetzung* - **gewisse Menge an Cholesterin sollte nicht überschritten werden** - *Je höher der Gehalt an Cholesterin, desto leichter eine Kristallbildung* - *Je mehr Gallensäuren da sind, desto günstiger* - d.h. wenigstens 40% der Zusammensetzung sollten aus Gallensäuren bestehen damit eine micellare Lösung vorliegt - Lecithin gibt gewisses Optimum (30%) - enger Bereich in dem die Zusammensetzung der Galle variieren darf, ansonsten Risiko das Cholesterin ausfällt und Kristalle bildet, das vergrößert sich und wird zu Gallenstein - der Gehalt an Cholesterin sollte relativ gering sein - ansonsten bilden sich Gallensteine die zum größten Teil aus Cholesterin bestehend (80-90% im Kern) - **[Risikogruppen (berühmte fünf F):]** - weiblich - fruchtbar/nach Schwangerschaften - über 40 - blond? - **[Beschwerde:]** - Gallenkoliken, Ausschwemmung des Gallensteins in Gallengang, bleibt da stecken, krampfhaftes Zusammenziehen der Gallengang-Muskulatur ***Anatomische Lage Galle und Co.*** - *[Leber: ]* aus Leberpforte kommt der Gallengang, daran sitzt die Gallenblase (Gallenflüssigkeit zwischengespeichert) - wenn die Nahrung runter massiert wird, wird reflektorisch die Gallenblase zusammengezogen, diese drückt Inhalt durch den Gallengang in den Teil des Dünndarms - durch Peristaltik der Speiseröhre zieht sich die Gallenblase (unter der Leber gelegen) reflektorisch zusammen und Galle wird durch den Gallengang in den Dünndarm gedrückt - *[Magen:]* *große Kurvatur* und *kleine Kurvartur* (große Kurve rechts und kleine Kurve links, asymmetrischer Aufbau) - *[Pylorus:]* Pförtner, verengter Magenausgang, Trennung zwischen Magen und Dünndarm - *[Duodenum:]* *Zwölffingerdarm*, erstes Stück des Dünndarms, so lang wie zwölf Finger breit sind - *[Aufbau Dünndarm: ]* Duodenum, Jejunum, Ileum - der Gallengang mündet in das Duodenum - *[Bauchspeicheldrüse]* (Pankreas): mündet auch in das Duodenum (ist in der Abbildung nicht dargestellt), - Pankreas besteht zu **99% aus exokrinem Pankreas** (Herstellung Verdauungsenzyme) und zu **1% aus den Langerhans'schen Inseln** (Insulinproduktion) - [Synthese an Gallensäuren in der Leber:] - Syntheseleistung ist durch das Ausmaß der Zufuhr von Cholesterin modifizierbar - **Gallensäuren = Cholesterinabkömmling** - Cholesterin kann über Nahrung aufgenommen werden o. körpereigen synthetisiert - *Gallensäuren = ausscheidungsfähige Form des Cholesterins* - Ausscheidung über Stuhl (ca. 0,5 g/d) - aber Dinge werden wiederverwertet - Gallensäuren sind [notwendig zur Fettverdauung], begleiten den Nahrungsbrei (Chymus) dünndarmabwärts - im terminalen Ilium (dem letzten Stück des Dünndarms vor dem Dickdarm), werden die ausgeschütteten Gallensäuren zum Großteil wieder aufgenommen und zur Leber über die Pfortader zurückgeführt Enterohepatischer Kreislauf - Gallensäuren werden wieder von Leber aufgenommen und in Gallenflüssigkeit ausgeschieden - Gallensäuren, die schon einmal im Darm waren, sind chemisch leicht modifiziert, - **Unterscheidung zwischen primären und sekundären Gallensäuren** ***Primäre und sekundäre Gallensäuren*** - [primäre Gallensäuren: ] *Cholsäure* und *Chenodesoxycholsäure* - [sekundäre Gallensäuren: ] *Desoxycholsäure* und *Lithocholsäure* - Desoxycholsäure (Desoxycholat) ist ein häufiges, mildes Detergens in der Biochemie (Membranassoziierte Proteine von Membran wegbekommen will) - chemische Veränderung ist **Abspaltung einer OH-Gruppe** - **Primäre Gallensäuren** sind die Gallensäuren, die die **Leber frisch gebildet** hat, in die Gallenflüssigkeit abgegeben worden sind und wenn sie in den Darm gewesen sind, erneut resorbiert wurden, dann sind es die sekundären Dexoxycholsäure und Lithocholsäure - muss nicht immer bei 0,5 g/d sein Syntheseleistung ist modifizierbar - *Je mehr Cholesterin man zu sich nimmt desto weniger wird von Leber gebildet* - trotzdem ist die Aufnahme von zu viel Cholesterin was kritisches, hängt mit Transport zusammen ***Lipase*** - *[Problem bei der Resorption von Lipiden:]* Lipide sind **nicht wasserlöslich**, werden vom **Wasser ausgeschlossen** (Wasser stärkere Bindungen als Lipidpartikel) - nehmen durch die Nahrung Fettpartikel (z.B. Butter) auf - Unterzungengrundlipase ist fast zu vernachlässigen -- ähnlich wie bei Speichelamylase - Speicheldrüsen bilden Lipasen, aber die Aktivität ist praktisch zu vernachlässigen - Magenlipase ist eher nur für kurzkettige Fettsäuren in der Säuglingszeit relevant (da ist die Resorption in der Magenschleimhaut quantitativ bedeutsam), später ist auch der Beitrag des Magens zur Lipidverdauung vernachlässigbar - Fettpartikel verlassen den Magen als **Fettemulsion** - *[Gallengang und Pankreasausführungsgang: ]* Detergens Gallensäuren und Verdauungsenzym Pankreaslipase kommen im Zwölffingerdarm nun zusammen - **Pankreaslipase** (Triglyceridlipase) -- *spaltet* vor allem *Triglyceride*, spaltet FS an Position 1 und 3 ab - *[andere fettverdauende Enzyme (kommen von unten): ]* - **Phospholipase** -- *spaltet Phospholipide*, in Bauchspeicheldrüse gebildet, - **Cholesterolesterase** -- *Spaltung* von *Cholesterinestern* in Cholesterin und FS - **Colipase** -- wichtig für gute Aktivität der Pankreaslipase - Phospholipase A2 spaltet FS an Position 2 des Glycerol-Grundgerüstes ab - Produkt sind gemischte Mizellen aus Diglyceride, Monoglyceride, freie FS, Cholesterin, andere Lipide ***Colipase*** - Lipidemulsion besteht aus *Tröpfchen* - Lipase assoziiert mit Lipid-Tropfen - **Gallensäuren überziehen den Lipid-Tropfen** zum emulgieren und **verdrängen die Lipase** (Tropfen wird kleiner) - *Vervielfachung der Oberfläche* an der die Lipase angreifen kann - eigentlich sollte Emulgierung und Verkleinerung der Lipid-Tropfen zu einer höheren Lipaseaktivität führen, durch Verdrängung würde sie aber verringert werden - *Gallensäuren haben hemmende Wirkung auf Lipaseaktivität* - **Colipase verankert die Lipase an der Oberfläche der Gallensäuren** - sorgt dafür, dass die Lipase weiterhin gut an das Substrat gelangt - Struktur der Lipase wird durch Colipase stabilisiert, die dann erst volle enzymatische Aktivität entfalten kann - **Lipidverdauung wird beschleunigt** - durch Colipase kann der Oberflächengewinn durch Gallensäuren-Emulgierung genutzt werden - *[Folge der Colipase:]* - Fettemulsion, dann Spaltung der Triglyceride und des Cholesterins, gemischte Micellen entstehen - [gemischte Micellen: ] - gemischte MIcellen bewegen sich Darm abwärts, Inhalt muss resorbiert werden  ***Fettresorption*** - [Ort:] *Jejunum* und *Ileum* des Dünndarms - Abbildung: einzelne Darmepithelzelle, abikale Oberfläche (ausgestülpfte Oberfkläche, Lumen) - **Diffusion durch UWL** - [ungerührte Wasserschicht: ] - darunter liegend ist die Plasmamembran (nicht Basalmembran, Fehler in Abbildung) - durch *Peristaltik des Darmes* wird die *Mizelle durch die UWL „geknetet"*, bei Kontakt mit Plasmamembran normale Diffusion durch lipophile Schicht ins Zellinnere - damit sie auf der inneren Seite der Plasmamembran wieder abgegeben werden, muss eine *Struktur vorhanden sein die Lipide bindet* - wird vermieden, dass Lipide stecken bleiben und in wässrige Phase gelangen - zum Übergang in Cytosol wird ein **Konzentrationsgradient für Lipide** ausgenutzt - [Lipide:] - am **dichtesten in der Mizelle** gepackt - **geringer im Cytosol** - *[Grund: ]* niedrige Konzentration im Cytosol durch Bindung an **FABPs** - FABP: Fatty acid binding protein - haben somit Transportrichtung aus dem Inneren der Micelle ins Innere der Darmepithelzelle  ***Reveresterung*** - Triglyceride werden als *Di-, Monoglyceride* oder als *Glycerin* und *freie FS resorbiert* - abgegeben an die Lymphgefäße werden sie aber als Triglyceride - Triglyceride durch Lipasen gespalten - **70%** der Triyglyceride = als **Monoglyceride resorpiert** - es werden nicht immer alle Fettsäuren abgespalten - ein Monoglycerid und 2 FS ist mengenmäßig das typische - *[innerhalb der Darmepithelzellen:]* kommt zu **Reveresterung** (Resynthese der Triglyceride) - *freie FS* = müssen als *FS-CoA-Ester* vorliegen (durch Acyltransferasen eingesetzt) - *[Thiokinase: ]* *bildet aus freien FS unter ATP-Verbrauch Acyl-CoA*, da nur aktivierte FS in Veresterungsreaktionen eingehen können - **Lipidresorption ist energieverbrauchend** - dabei aber nicht der Transport durch die Plasmamembran, sondern die Resynthese in den Epithelzellen - Acyl-Transferasen bilden dann Triglyceride mit Glycerin, Mono- und Diglyceriden und Acyl-CoA - *Triglyceride verlassen auf der basolateralen Seite verpackt als Lipoproteine (Chylomikronen) die Zellen in Lymphgefäße* - kein Transport über die Pfortader in die Leber, sondern über *Lymphe ins venöse Blut*, erreichen erst sekundär die Leber - freie FS können auch so direkt an die Blutgefäße abgegeben werden KH.jpg [Chylomikronen, Lymphe] ***Chylomikronen*** - gibt der Darm ab - nur ca. *1-2 h nach der Nahrungsaufnahme im Blut nachweisbar* - die am wenigsten dichten Lipoproteine - Anlagerungsverbindung von Lipiden an Proteine (Apolipoproteine) - *[Hohlkugel:]* Wand aus **Monolayer von Phospholipiden** und **Cholesterin** (amphiphil) - in die Monolayer sind Apolipoproteine eingelagert (für Lipoproteine funktionell bedeutsam = Apolipoproteine) - können angelagert sein oder amphipatisch - *[im Kern:]* lipophile Lipide (Triglyceride und Cholesterinester)/ Frachtraum - *das was transportiert werden soll* ***Lymphe*** - wässrige, hellgelbe Flüssigkeit, sind ein Zwischenglied zwischen der Gewebsflüssigkeit (Interzellularflüssigkeit) und dem Blutplasma - neben dem Blutkreislauf das wichtigste Transportsystem des menschlichen Körpers - in Lymphknoten werden auch Krankheitserreger (Bakterien und Fremdkörper) entsorgt ***Lipoproteine (Transportmechanismen)*** - *[Chylomikronen ]* - Lipoproteine die der Darm abgibt - enthalten v.a. Triglyceride - Lymphgefäßsystem endet im Blutgefäß, d.h. sie tauchen am Ende im fließenden Blut auf - Anlagerungsverbindungen von Lipiden an Proteine (Apolipoproteine) - *[Hülle:]* Apolipoproteinen und amphiphilen Lipiden *[Kern:]* lipophilen Lipiden - mehrere Arten Apolipoprotein - **Zusammensetzung ist für jede Klasse von Lipoprotein anders** KH.jpg ***Chylomikronen, VLDL, LDL, HDL*** - **Klassifikation** nach der **Dichte** - Einteilung mittels *Dichtegradientenzentrifugation* - sind unterschiedlich groß - im **Blut** kann man auch **Cholesterin im Serum bestimmen** - Lipide liegen nie frei vor - bei Cholesterin im Serum setzt es sich zusammen aus dem *Cholesterin das sich in den Lipoproteinfraktionen befindet* (Chylomikronen, VLDL, v.a. in LDL) - Phospholipide machen mengenmäßig untersch. Anteile in den Klassen aus - sind für Membranen notwendig - somit kleine Lipoproteine höheren Anteil an Phospholipiden - **[Chylomikronen]** - werden vom Darm abgegeben, sind die größten mit der geringsten Dichte - eher *Triglyceridtransporter* - **[VLDL ]** - Very low density lipoprotein - eher *Triglyceridtransporter* - **[LDL]** - Low density lipoprotein - größten Anteil an Cholesterin, eher ein *Cholesterintransporter* - **[HDL]** - High density lipoprotein - Kleinestes Lipoprotein, eher *Cholesterintransporter* ***Lipoproteine in der Dichtegradientenzentrifugation*** - Bennenung = nach Dichtegradientenzentrifugation - *[Vorgehensweise: ]* in Zentrifugen Röhrchen Dichtegradient aufgebaut, Lipoproteine oben drauf, in Zentrifuge gestellt - **sinken nach der Dichte unterschiedlich ab** - bleiben dann liegen - [Chylomikronen:] leichter als Wasser würden aufsteigen - [HDL: ] besonders schwer würde nach ganz unten sinken - **Trennung der Lipoproteine möglich** ***Lipoprotein in der Elektrophorese*** - schnellere Untersuchung und Klassifizierung von Lipoproteinen mittels Elektrophorese - zur Bestimmung der Menge Elektrophorese - [Chylomikronen: ] *wandern nicht*, bleiben am Auftragungsort, heißen weiterhin *Chylomikronen* - [VLDL: ] *wandert ein bisschen*, werden *dann Prä-β-Lipoproteine* genannt, liegen vor der β-Bande der β-Plasmaproteine - [LDL: ] wird *β-Lipoprotein* genannt - [HDL: ] ist am kleinsten, dazu noch geladen, können *am schnellsten* im elektrischen Feld und durch das Gel wandern, werden *α-Lipoproteine* genannt - **Wanderungsgeschwindigkeit korreliert nicht mit der Dichte** - VLDL ist weniger dicht, wandert aber schneller als LDL ***Transportfunktion von Lipoproteinen*** - Lipoproteine weisen *bestimmte Transportrichtungen/ -aufgaben* auf - **[Chylomikronen]** - transportieren [Triglyceride] aus dem *Darm* vor allem *zur Leber* - aber auch schon in die *Peripherie* - **[VLDL ]** - wird im Wesentlichen in der *Leber gebildet* und abgegeben - Transport zur *Peripherie* (zu den *Organen* zum *Verbrauch* oder dem *Fettgewebe* (subkutan) zur *Lagerung*) - **[LDL]** - transportiert *Cholesterin* eher aus der *Leber in die Peripherie* (Versorgung) - **[HDL]** - transportiert *Cholesterin* eher wieder *zurück zur Leber* (Entsorgung) - zur Bewertung des Cholesterin -Plasmaspiegels ist es wichtig, zu wissen, ob es sich im LDL (böse, Gefäßschäden) oder HDL (neutral bis gut) befindet KH.jpg ***Funktionen von Apolipoproteinen*** **1) Strukturelemente** - sind für die *physikalische Stabilität der Monolayer* nötig - z.B. die Apolipoproteine AII und B~48~ (sitzen in Monolayer von Phospholipiden) **2) Enzymaktivierung/Signalmolekül** - können *mit Enzymen auf der Außenseite von Endothelzellen wechselwirken* - [Folge]: Inhalt des Lipoproteins abgegeben/verändert werden kann - Lipoproteine müssen Fracht loswerden, können somit von Enzymen von Endothelzellen angehalten und bearbeitet werden wenn sie Signale auf der Außenseite tragen - Lipoproteinlipase (LPL) wird durch Apolipoprotein CII (wenn außen an Liporprotein dransitzt) aktiviert - Lecithin-Cholesterin-Acyltransferase (LCAT) wird durch Apolipoproteine AI, CI und D aktiviert - es wird eine Fettsäure von einem Molekül auf ein anderes transferiert (zw. Cholesterin u. Lecithin) **3) Rezeptorliganden** - Rezeptor in der Plasmamembran - Rezeptor erkennt Apolipoproteine B~100~ (wichtig für LDL-Aufnahme) und E - hält Lipoprotein an - *[Signal für die Endozytose:]* Lipoprotein wird in die Zelle aufgenommen und dort entladen - *[Apoprotein B100:]* für Rezeptorbindung verantwortlich, Gesamtheit des LDLs in Zelle aufgenommen - Zielzelle kann auch Leberzelle sein (kann auch zum Nettoimporteur von LDL u. LDL-Cholesterin werden wenn man Leber pharmakologisch Cholesterinbiosynthese verbietet - **Apolipoproteine regulieren somit den Stoffwechsel** ***Möglicher Lebensweg eines Lipoproteins*** - **verschiedenen Lipoproteine gehen auseinander hervor und interagieren miteinander** - VLDL wird von der Leber abgegeben + dort gebildet + zirkuliert im Blutplasma - HDL gibt ein Apolipoprotein C ab - Lipoproteinlipase(LPL) wird durch das Apolipoprotein C aktiviert und spaltet Triglyceride aus dem Inneren des VLDL und gibt sie als freie FS ab - VLDL schrumpft zu IDL (intermediate density lipoprotein - Ist nur sehr kurzlebig - geht entweder zur Leber zurück o. durch weiteren Abbau von Triglyceriden zu freien FS zu einem LDL wird - LDL kann entweder zurück zur Leber oder zu einer peripheren Zelle um dort mit dem B100- Rezeptor zu interagieren und aufgenommen zu werden  ***Arteriosklerose (Blutgefäßverkalkung)*** - Grund, warum wir uns mit dem Transport von Lipiden im Organismus beschäftigen - **[Verkalkung von Blutgefäßen]** - Verkalkung: *Ablagerung von atheromatösen Plaques* - hinter Endothelzellschicht (zum Lumen hin) sind *Lipide eingelagert* (verkalken Blutgefäße) - *[Folge:]* Durchgängigkeit des Blutes wird gestört **Strömungswiderstand steigt** - (nach HagenPoisseuille einen 16fachen Anstieg des Widerstandes bei Halbierung des Radius (Wiederstand steigt mit 4 Potenz des Radius an) - Bereiche des Gewebes die dahinter liegen kriegen weniger und irgendwann zu wenig ab - **Artherosklerose durch fehlerhaften Transport der Lipide im Blut** - hoher LDL-Spiegel korreliert stark mit einem hohen Arteriosklerose-Risiko - *[Ablauf Entstehung: ]* - bei einer zu langen Zirkulation im Blut wird *LDL oxidiert* und *landen in der Gefäßwand* und bei den Endothelzellen - Makrophagen hinter den Endothelzellen versuchen oxidiertes LDL zu entfernen/aufzunehmen - *Kapazität der Makrophagen ist gering* - Kapazität der Makrophagen überschritten = gehen sie an LDL-Fracht zugrunde - bilden sich aus den Makrophagen Schaumzellen - **Auslöser Plaque-Bildung** - damit bleiben Lipide des LDL in Gefäßwand liegen - zu lange Zirkulation des LDL entweder durch ein *Überangebot an Cholesterin/LDL* oder eine *Störung in der Funktion der Rezeptoren* der Zielzellen - oft mit zunehmenden Alter - Weg zum Mechanismus durch angeborene Störungen des Lipoproteinstoffwechsels ***cis- und trans-Fettsäuren*** - [Ölsäure und Elaidinsäure] - beide *einfach ungesättigte FS* mit *18 C-Atomen* und einer *Doppelbindung* in Position 9 - durch die cis-Konfiguration bei Elaidinsäure ist die Alkylkette nicht abknickt - Eladinsäure kommt in tierischen u. pflanzlichen Fetten nicht vor, ist synthetisch - Ölsäure v.a. in Olivenöl - [gesättigte FS] - haben generell einen **höheren Schmelzpunkt als ungesättigte FS** - [ungesättigte FS] - hohe Raumerfordernis bei cis-Konfiguration (Schmelzpunkt Stearinsäure (18C): 70°C) - **Je höher der Entsättigungsgrad, desto niedriger der Schmelzpunkt,** - Bsp. Linolsäure 18:2 (9,12) Smp: -5°C - cis-Konfiguration ist die normale, (natürliche) Konfiguration der FS - [trans-Konfiguration] - entsteht u.a. bei der *Fetthärtung in der Margarineherstellung*, aber auch im Pansen der Kühe - Margarine entsteht aus *Pflanzenfetten* enthalten großen Anteil aus *ein- und mehrfachungesättigten FS* (sind nahezu flüssig) - durch Margarinehärtung wird sie halbfest - trans-FS werden **als Mitverursacher von koronaren Herzerkrankungen** angesehen KH.jpg ***Essentielle Fettsäuren*** - *[menschliche Organismus]* - kann Doppelbindungen **nur bis Position 9 in FS einführen** - er kann zwar auch FS vom Carboxyende her um 2 C verlängern, aber trotzdem nicht alle FS synthetisieren - *[essentielle Fettsäuren: ]* - müssen **über die Nahrung aufgenommen** werden - Bsp.: ω-6- (v.a*. Linolsäure*) und ω-3-FS (v.a. *Linolensäure*) können nicht synthetisiert werden, - ω-Zählweise vom Alkylende der FS-Kette her - einmal eine ω-6- oder ω-3-FS bleibt diese *Eigenschaft auch bei Modifikation im Körper (Verlängerung, Einführen weiterer DB) erhalten* - Arachidonsäure (20:4 (ω-6)), klassische Quelle Erdnuss - bei mangelnder Zufuhr essentieller FS versucht der Körper vermehrt ungesättigte FS zu synthetisieren und so den Mangel zu kompensieren, es kann aber nicht über ω-9 hinausgehen  ***Eicosanoide*** - üben **regulatorische Funktionen auf zellularer Ebene** aus (hormonähnliche Funktion, Bezeichnung als Gewebshormone - werden im Körper aus mehrfach ungesättigten FS synthetisiert - [Name]: alle Verbindungen *20 C-Atome aufweisen* (eicosi = zwanzig) - zu den Eicosanoiden gehören Prostaglandine, Thromboxane und Leukotriene - **[Prostaglandine: ]** - Hauptklassen PGA bis PGI, ein tiefgestellter Index beziffert die DB - Prostaglandine mit 2 DB (z.B. PGE2 ) werden aus Arachidonsäure synthetisiert, 2 DB gehen bei der Cyclisierung verloren - teilweise entzündungshemmend (mit einer DB), viele aber entzündungsfördernd (mit zwei DB) - **[Thromboxane: ]** - mit den Prostaglandinen verwandte Verbindungen mit sechsgliedrigem Etherring - Aktivieren die Thrombozytenaggregation über Thromboxan-Rezeptoren - **[Leukotriene: ]** - enthalten 3 konjugierte Doppelbindungen - wurden zunächst in Leukozyten entdeckt - stehen im Zusammenhang mit entzündlichen und allergischen Reaktionen im Körper, z.B. bei Asthma bronchiale ***Synthese Prostaglandine und Leukotriene (biologische Signalmoleküle)*** - Bildung von [biologischen Signalmolekülen] aus mehrfach ungesättigten FS - *wirken in der Gegend, in der sie auch gebildet werden* - nur kurzfristig vorhanden (wirken in der Nähe des Bildungsortes) - haben Signalfkt. von einer Zelle zur nächsten - häufig als Entzündungsmediatoren beschrieben, ein wenig zu kurz gefasst - [Synthese von Prostaglandinen und Thrombozanen ] - z.B. PGI2 zum Weitstellen von Blutgefäßen, TXA2 fördert die Thrombozytenaggregation - Katalyse durch Enzym Cyclooxigenase (COX1 oder COX2) - [Synthese von Leukotrienen ] - z.B. Führen zu einer Engstellung der Bronchien - Katalyse durch Lipoxygenase - **Prostaglandine aus der Arachidonsäure** (ω -6) weisen die *höchste Effektivität* auf und wirken **fördernd auf den Verschluss von Gefäßen** (z.B. durch Thrombozytenaggregation) - *Folge:* nicht Durchlässogkeit von Blut - [Annahme:] **ω-3-FS sind günstig für das Verhindern von Herz-Kreislauf-Erkrankungen**, weil sie die *Bildung von weniger effektiven Gewebshormonen induzieren*, die einen *Verschluss* von arteriosklerotischen Gefäßen *seltener* werden lassen - zuerst nur epidemiologische Studien: in Gesellschaften mit einem hohen Konsum von Fisch (viel ω-3-FS) sind Herz-Kreislauf-Erkrankungen seltener - somit Annahme getroffen, dass Omega-3-FS bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen gut sind ***Synthese Prostaglandine und Leukotriene -- Abbildung***  - statt einer ω-6-FS kann auch eine ω-3-FS mit denselben Enzymen zu Eicosanoiden verstoffwechselt werden, auf jeder Stufe der Synthese konkurrieren zwei Substanzen (ω-6- und ω-3-FS) mit unterschiedlichen Affinitäten um das Enzam - mit der Ernährung zugeführte FS werden nicht direkt zur Eicosanoid-Synthese herangezogen, sondern zunächst im Fettgewebe oder als Phospholipide in Zellmembranen langfristig gespeichert - Zellmembran bildet einen verfügbaren Fettsäurepool aus dem die Phospholipase A2 bei Bedarf entsprechende FS freisetzen kann -- die Zusammensetzung der Zellmembranen hat einen Einfluss auf die entstehenden Eicosanoide ***Lipidoxidation in Membranen*** - könnte denken, es wäre gut wenn man möglichst viele ungesättigte FS mit der Nahrung aufnimmt - ABER *mehrfach ungesättigte FS* sind [anfällig für oxidative Schädigung] - **Wasserstoffe** in *Allylposition* zu Doppelbindung(en) können **leicht abstrahiert** werden - Bildung eines **bisallylischen Fettsäureradikals** - Umlagerung der Doppelbindung - Entstehung eines **Peroxidradikals** in *Gegenwart von Sauerstoff* (Alkyldioxylradikal) - reagiert mit Wasserstoffradikal zu **Fettsäureperoxid** - haben andere physikalische Eigenschaften, ungünstig für Membranen - [Schutzmechanismus der Zellen] - Entgiftungsreaktion durch **a-Tocopherol** (Vitamin E) - Alkyldioxylradikal ist *zu polar* für den lipophilen Teil einer Bilayer und wandert deswegen an die Grenzschicht, kann dort mit Tocopherol zu einem *Hydroperoxid* reagieren - *radikalisches Tocopherol reagiert mit Ascorbinsäure* - Ascorbinsäure muss an anderer Stelle regeneriert werden - **zu viele ungesättigte FS in den Membranen** (erreicht durch zu starke Aufnahme von ungesättigten FS) kann zu einer **Überlastung des Radikalentgiftungsmechanismus** kommen und insgesamt auch die Membran in ihrer Funktion gestört werden KH.jpg  ***Fun Facts: Lipide und Fette*** - insgesamt sollte Fettzufuhr um 20% reduziert werden - [empfohlene Zufuhr: ] - ca*. Drittelung* 1/3 mehrfach ungesättigt, 1/3 einfach ungesättigt, 1/3 gesättigt - lässt sich mit normaler Ernährung gut vereinbaren - [Fette mit besonders hohem Gehalt einer FS-Gruppe: ] - *Kokosfett*: - *Olivenöl*: - *Maiskeimöl:* - wenn die Nahrung insgesamt knapp ist, ist der Anteil von Fetten an der Ernährung noch einmal besonders knapp (Bsp. 2. Weltkrieg) - Aussagen über die richtige Fettzufuhr sind am stärksten dem Trend unterworfen - die „mediterrane Ernährung" ist ein terminus technicus geworden, die drei Säulen der mediterranen Ernährung sind eine Kombination von Olivenöl, Fisch und Rotwein (Polyphenole) - FS sind typischerweise 14-22 C-Atome lang ***Fun Facts: Medizin/Pharmazie*** - [pharmazeutisches Mittel gegen einen zu hohen LDL-Spiegel (Statine)] - es handelt sich um einen **HMG-CoA-Reduktase-Inhibitor** - HMG-CoA-Reduktase ist das *Enzym des geschwindigkeitsestimmenden Schrittes* der *Cholesterin-Biosynthese* in der Leber - dadurch, dass die Leber kein Cholesterin mehr bilden kann, werden *mehr B100-Rezeptoren gebildet*, wodurch das LDL vermehrt aus den Blutbahnen aufgenommen wird - die Leber wird dadurch zu einem *Nettoaufnehmer von LDL* - dadurch wird Lebensdauer von LDL gesenkt, Ablagerung wird entlastet - Lebenserwartung wird verlängert, Makrophagen entlastet - [erblich bedingte LDL-Rezeptorstörung ] - Betroffene der *familiären Hypercholesterinämie* (Typ IIa) haben schon im 3. oder 4. Lebensjahrzehnt ein stark erhöhtes Risiko für durch Arteriosklerose ausgelöste Herzinfarkte - [Grund:] **Störung des LDL-Rezeptors**, sodass LDL nicht mehr aus dem Blut entfernt und in die Zellen aufgenommen werden kann - [Folge:] **zu viel LDL** - Subkutanes Fett Fett, das direkt unter der Haut eingelagert wird - Viszerales Fett Fett, das in der Bauchhöhle eingelagert ist, umhüllt die inneren Organe vor allem die Verdauungsorgane ***Fun Facts: Käseplatte*** - „Käse schließt den Magen" - stark kohlenhydrathaltige Lebensmittel neigen dazu bald wieder ein Hungergefühl auszulösen (z.B. Milchreis), da durch die schnelle Resorption der KH der Blutzuckerspiegel zunächst stark ansteigt, dann aber durch eine starke Insulinproduktion auch sehr schnell wieder abfällt - Abfall löst Hungergefühl aus - Fett verlangsamt die Resorption der KH und verhindert dadurch den schnellen Anstieg und Abfall des Insulinspiegels und damit das Auftreten eines schnell wiederkehrenden Hungergefühls **6. Proteinstoffwechsel (Kapitel 5)** ***Proteinverdauung*** - Proteine (Polymer) werden im Magen *durch die Säure denaturiert* - **Verlust der Tertiärstruktur** - Teritärstruktur notwendig für Funktion - somit erste Schritt um ursprüngliche Eigenschaft, also funktionstüchtiges Protein zu sein, zu beseitigen - Proteine haben am ehesten das *Potential* durch den *Körper als Fremdstoff erkannt zu werden* (durch 3D-Struktur) und *Abwehrreaktionen hervorzurufen* - **Abbau der Polymere ist wichtig zu Tri-, Di- und Monomeren** - Beginn des [Abbaus im Zwölffingerdarm durch Enzyme] (Endopeptidasen) aus dem [exokrinen Pankreas] - Aufspaltung auch durch ein Peptid spaltendes Enzym aus der Magenschleimhaut (ist funktionell nicht sehr relevant) - [Kohlenhydrate und Lipide:] Hauptfunktion *Brennstoff/Energielieferant* [Proteine]: erste Fkt. Lieferant von *Synthesebausteinen*, erst in zweiter Fkt. *Brennstoff* - **exokrine Pankreas liefert spaltende Enzyme für alle drei Makronährstoffe** - [kann man mit dem Grundumsatz auf Dauer leben?] - Nein 50% Zuschlag für den Erhaltungsumsatz - Erhaltungsumsatz brauchen wir *zusätzlich Energie für Syntheseleistungen*  ***Endopeptidasen*** - [drei Stück:] **Pepsin, Chymotrypsin, Trypsin** - *spalten die Peptidbindung* mit einer gewissen *Spezifität* - werden alle als **Proenzyme** freigesetzt - würden **keine Rücksicht nehmen**, ob es ein **Nahrungs- oder körpereigenes Protein ist** - Aktivierung erst im Duodenum wichtig und nicht im Zellsystem wo sie gebildet werden - [Pankreatitis:] - Entzündung der Bauchspeicheldrüse - Fehlregulation in der Aktivierung der Proteolytischen Enzyme - Selbstverdau des exokrinen Pankreas und der Langerhansschen Inseln (Entstehung einer Diabetes) - im Exokrine Pankreas auch endokrene eingebettet, deshalb auch Langerhanssche Inseln mit verdaut - **[Pepsin]** - *spaltet* zwischen einer *aromatischen* und einer *beliebigen anderen Aminosäure* - **[Chymotrypsin]** - *spaltet* zwischen einer *aromatischen* und einer *beliebigen anderen Aminosäure* (mit Ausnahme von Asparaginsäure und Glutaminsäure) - **[Trypsin]** - *spaltet* zwischen einer *basischen Aminosäure* (Lysin oder Arginin) und einer *beliebigen anderen* ***Pepsin, Chymotrypsin, Trypsin*** - **[Pepsin ]** - kommt aus der *Magenschleimhaut* - wird erst durch den *sauren Magen-pH aktiviert* - **[Chymotrypsin, Trypsin ]** - werden beide erst *im Zwölffingerdarm* durch die *Bauchspeicheldrüse freigesetzt* - aus exokrinen Pankreas - werden beide durch eine **Abspaltung von der Aminosäurekette aktiviert** - **[Aktivierung Trypsin und Chymotrypsin ]** - Peptidasen kommen mit dem Pankreassaft in das Lumen des Duodenum - Trypsin kommt als *Trypsinogen* (Endsilbe -gen bezeichnet inaktive Vorstufe), **Umwandlung durch Enteropeptidase** in aktives Trypsin durch **Abspaltung von Aminosäuren** - aktiviertes Trypsin *katalysiert* im Folgenden die *eigene Aktivierung* und die *Aktivierung vom Chymotrypsinogen zum Chymotrypsin* - Chymo- als Vorsilbe bezieht sich auf Chymus (Speisebrei) ***Exopeptidasen*** - *Endopeptidasen alleine reichen zur vollkommenen Spaltung der Polypeptidkette nicht aus* - Zugabe von Exopeptidasen, die stückweise die **endständige Aminosäure abspalten** - durch die Endopeptidasen wird die *Zahl freier Enden stark erhöht*, sodass der *Abbau durch Exopeptidasen effizienter* abläuft - [Unterscheidung:] *N- und C-terminalen Exopeptidasen* - je nachdem ob sie vom aminoterminalen oder carboxyterminalen Ende aus angreifen - Zusammenspiel aus Endo- und Exopeptidasen ergibt die Geschwindigkeit der Proteinverdauung ***Resorption*** - hatten langkettiges Peptid, das durch Peptidasen gespalten wurde - überwiegend werden **freie Aminosäuren resorbiert**, aber zu einem gewissen Grad können **auch Tri- und Dipeptide** resorbiert werden - [Abgabe an Pfortader aus Darm: ] - 25% Di- und Tripeptide - 70% freie Aminosäuren - 5% in Darmzellen synthetisiertes Protein - Tripeptide sind *zu klein*, um vom Körper als potentielles Fremdeiweiß eingestuft zu werden - unter dem Aspekt ist man bei Resorption von Tripeptiden vor allergischen Reaktionen etc. „sicher" - **komplette Proteine** o. größere Tripeptide können i. d. R. **nicht resorbiert werden**, Ausnahme BSE (siehe Fun Facts)  ***Zufuhr \< Resorption*** - Darmlumen, Darmepithelzelle, Blut (Pfortader) (Abbildung) - führt Blut zu Leber, kommt zum Herz wird dann im gesamten Kreislauf verteilt - [im Darmlumen:] - Zufuhr von **Nahrungsproteinen** (Bsp. **100 g**) - noch ein erheblicher Teil an **Proteinen vom Darm** dazu (ca. 70% der Menge an zugeführten Proteinen, **70 g**) - [Grund: ] - der *hohe Zellumsatz der Darmschleimhaut* (Mukosa) - die Epithelzellen haben nur eine *kurze Lebensdauer* - werden **nach Ablauf der Lebensdauer ins Lumen abgeschieden** (Abschilferung) und quasi **direkt mit verdaut** - 100 g Nahrungsproteine + 70 g aus Darmepithelzellen - deswegen ist die **Resorptionsleistung des Darms 160 g** (10 g der Proteine/AS werden über den Stuhl abgegeben) bei dursch. Erwachsenen - *10 g lokaler, zellulärer Verbrauch an AS* in den Darmepithelzellen für *Syntheseleistungen* - Abgabe von **150 g AS über die Pfortader an die Leber** (Hauptsyntheseorgan des Körpers) - Leber hat ähnliche Rolle wie in Lipid- und KHstoffwechsel - ist ein **Puffer** - Je nach zugeführter Zusammensetzung der Nahrung können die freien AS in ihrer Zusammensetzung stark variieren ***Aminosäure-Pool*** - **Aminosäure-Pool in Leber ist wie ein Puffer** - Leber hält unabhängig von der ASZusammensetzung der zugeführten Proteine die *AS-Verteilung* im Serum *relativ konstant* (AS mit höchster Serumkonzentration ist Glutamin) - für *freie AS* kann man *Normwerte* definieren, wie viel im Serum vorhanden ist - Normwerte haben aber große Streuung - **Aminosäure-Pool** ist im Vgl. zur Proteinmasse im Muskel oder Organen **relativ gering** - muss **stets wieder aufgefüllt** werden -- Umsatz des Pools geschieht sehr schnell - Syntheseleistung des Muskels ist darauf angewiesen, dass genug AS die Skelettmuskulatur erreichen, woraus die Skelettmuskulatur neue Fasern bildet (Aktin, Myosin) - [Proteinogene und nicht proteinogene AS] - mengenmäßig **proteinogene AS überwiegend** - wenn proteinogene in geringen Mengen vorliegen, dann ist der Umsatz des Aminosäurepools im Kreislauf schnell - [Essentielle und nicht essentielle AS:] - *essentiell:* - *nicht essentiell:* - es besteht für den Organismus eine gewisse Freiheit darin, ob er die AS aus der Nahrung verwendet oder, zumindest bei nicht-essentiellen, die AS aus Vorstufen synthetisiert - **Niere scheidet Ammoniak und Harnstoff** (Endprodukt des AS-Stoffwechsels) **aus** - Urin-Stickstoff ist ein *indirektes Maß für den Proteinstoffwechsel* (auch Verwendung in indirekter Calorimetrie) - Harnstoff Endprodukt des Proteinstoffwechsels ***Labiles Eiweiß*** - Aminosäure-Pool im Plasma wird *sehr schnell umgesetzt* - gibt es irgendwo einen **Protein-Vorrat**, ähnlich wie bei Kohlenhydraten (Glycogen) oder bei Fetten (subkutanes, viszerale Fettgewebe)? **Gibt es eine Speicherform?** - **Nein!** - *das, was der Organismus in Hungerzeiten an Protein abbauen will, muss aus einem Funktionsprotein kommen* - reichlichsten da ist **Skelettmuskelmasse** - wird **bei Hunger/Mangel zuerst abgebaut** - [labiles Eiweiß] bezeichnet die Menge, die abgebaut werden kann, ohne dass eine Funktionsbeeinträchtigung zu messen ist 2% der Skelettmuskelmasse - Muskelkraft ist ein sensitiver Indikator für Proteinmangel ***Absolutes N-Minimum, Abnutzungsquote, Bilanzminimum*** - [Fütterungsexperiment:] - isokalorische Kost, der *übliche Energieverbrauch wird gerade gedeckt*, aber kein Protein/keine AS enthalten - Körper wird versuchen den unvermeidlichen *Verlust an N zu minimieren*, - [Ausscheidung an Urinstickstoff sinkt] - ist ein Minimum erreicht **absolutes N-Minimum** (nach 14 Tagen) - Mensch kriegt die Kalorien die er braucht für die Verbrennungsvorgänge, aber keine AS für Proteinbiosynthese, sodass gespart und wiederverwertet und möglichst wenig abgegeben wird - nach Max Rubner - **[Abnutzungsquote]**: Berechnung, was an *Protein im Körper pro Tag verloren* geht (ca. 25 g/d) - **[Bilanzminimum:]** Wenn nur genau das durch die Ernährung dem Körper zugeführt würde, sollte der Körper in der Lage sein, sich hinsichtlich des eigenen Proteinhaushaltes im Gleichgewicht zu halten - *Bilanzminimum alleine ist aber nicht ausreichend*, da die **zugeführten Proteine von unterschiedlicher Wertigkeit** sind ***Biologische Werigkeit*** - Je höher das Bilanzminimum eines Proteins/einer Proteinquelle ist, desto schlechter ist die biologische Wertigkeit, da mehr Protein zugeführt werden muss, um den Stickstoffhaushalt des Körpers im Gleichgewicht zu halten - biologische Wertigkeit von Volleiprotein ist höher als die von Weizen, die Kombination aus 36% Volleiprotein und 64% Kartoffelprotein weist die höchste biologische Wertigkeit auf - *nicht jede Eiweißquelle ist gleich gut*, um das Bilanzminimum zu erreichen - [Was macht den Unterschied?] das **Aminosäuremuster** - soll hohen Gehalt an ess. AS aufweisen und möglichst das ersetzen was wir durch Verschleiß/ Abnutzung an AS in Proteinen verloren - für den Organismus ist es am **günstigsten**, wenn die *AS - Verteilung im Protein der mittleren AS -Verteilung im Körper entspricht* -- der Körper hat dadurch die **geringste Synthesearbeit** - durch die Kombination verschiedener mittelwertiger Quellen kann eine höherwertige Mischung entstehen  ***Essentielle Aminosäuren*** - Essentielle Aminosäuren können **nicht vom menschlichen Körper synthetisiert** werden - [8 Stück sind essentiell: ] Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan, Valin - [2 Stück sind semiessentiell: ] Histidin, Arginin -- im Säuglingsalter oder nur unter besonderer Belastung essentiell - für Menschen mit einer **Niereninsuffizenz**, die kurz vor einer Dialyse stehen, ist es besonders wichtig vor allem **hochwertiges Protein zu sich zu nehmen**, damit die Belastung des Organismus mit zugeführtem Stickstoff gering ist und dadurch die geringe Harnstoffbildungs- und ausscheidungskapazität so wenig wie möglich belastet wird - Niere hat Probleme Harnstoff loszuwerden, deswegen Proteinzufuhr minimiert aber mit hochwertigen Protein - E/T-Ratio Essentielle Aminosäuren am totalen Bestand der Aminosäuren - Qualitätsfaktor, der mit in die biologische Wertigkeit eingeht - [\$\\frac{E}{T} = \\frac{\\text{essentielle}\\ \\text{Aminos}ä\\text{uren}}{\\text{gesamte}\\ \\text{Aminos}ä\\text{uren}}\$]{.math.inline} ***Bedarf und Zufuhr*** - täglicher *Verlust an Proteinen* ca. **24 g** - [empfohlene Minimalzufuhr] (da nicht alles resorbiert wird) um 7 g höher (**31 g**) - [Sicherheitszuschlag:] - aufgrund von **individuellen Unterschieden bei der Resorption** (40 g) - für **verschiedene biologische Wertigkeiten** (56 g) - *tatsächliche Aufnahme Deutschland 87 g* -- mittlerweile wahrscheinlich noch höher, Annäherung an die USA - *tatsächliche Aufnahme USA (100 g)* - ABER eine hohe Proteinzufuhr ist eine **Belastung für die Niere**, - Niere muss den ganzen Harnstoff wieder loswerden - Diskussion, ob eine hohe Proteinzufuhr alleine auch schon eine Schädigung der Niere hervorrufen kann (Hyperfiltrationshypothese) ***Altersabhängige Zufuhrempfehlung Protein*** - *[0-4 Monate:]* - **2 g/kg KG** - kalorische Grundlage sind die Kohlenhydrate (Lactose) in der Muttermilch, aber hohe Proteinzufuhr für *starke Synthese und Wachstumsleistung* - *Frühgeborene:* - brauchen noch einmal **knapp doppelt so viel** wie ein normal geborener Säugling, da die Entwicklung noch mehr vonstatten gehen muss und **noch mehr Syntheseleistung** zu erbringen ist, auch schlechte Resorption - [5-12 Monate:] **1,5 g/kg KG** - [bis 15 Jahre]: Absenkung weiter auf **1 g/kg KG** - [ab 15 Jahre:] ca. **0,8 g/kg KG** - **empfohlene Proteinzufuhr pro kg Körpergewicht nimmt mit dem Alter ab** ***Fun Facts: BSE*** - *[BSE:]* bovine spongiforme enzephelopathie (Rinder-schwammförmige-Erkrankung des Gehirns), Rinderwahn - 2 Wellen in den 90ern und um 2000 herum - wurde auf *Rinder übertragen*, durch ein in Schafen **fehlgefaltetes Protein**, dass über Schafschlachtabfälle in das *Futter für Rinder* gelangte - Fleischmehl wurde als Proteinquelle dem Futter zugesetzt - Autoklavierprozess wurde verändert um Kosten zu sparen - das fehlgefaltete Protein konnte teilweise *im Ganzen resorbiert* werden und ins *Gehirn des Rindes gelangen*, dort wurde die Fehlfaltung des entsprechenden, korrekt gefalteten Proteins induziert - auch bei Menschen eine Manifestierung, aber in Bezug auf die Menge an kontaminiertem Rindfleisch, die in den Verkehr gebracht wurde, relativ wenig -- Vermutung, dass es Unterschiede gibt, inwiefern komplette Proteine resorbiert werden können **7. Regulation des Energiestoffwechsels bei Resorption, Postresorption und Hunger** **Wie geht der Organismus damit um, dass das Nahrungsangebot sehr ungleichmäßig ist?** - Mensch eig. nicht dazu geboren mit regelmäßigen Nahrungsangebot umzugehen, ist geborener Hungerleider ***Hungern*** - **durchschnittlich Ernährte** lebt für **ca. 8 Wochen** - ohne eine weitere Nahrungszufuhr - [körpereigene Vorräte an den Makron?