Dieser Text gibt einen zusammenfassenden Kurzüberblick über die Themen des zugehörigen Seminars, das sich an interessierte Laien richtet. Im Interesse der Übersichtlichkeit und des Umfanges wurde auf die weitergehenden Erläuterungen, Beispiele und Veranschaulichungen aus dem Seminar an dieser Stelle verzichtet.
Inhaltsverzeichnis:
➙ 1. Chemische und biologische Grundbegriffe
➙ Stoffwechsel
➙ Chemische Grundkonzepte
➙ Verbindungen der organischen Chemie
➙ Oxidation und Energiegewinnung
➙ Biologische Grundbegriffe
➙ Zellen
➙ Stoffwechselgrundlagen
➙ 2. Makromoleküle, Verdauung und Stickstoffstoffwechsel
➙ Makromoleküle
➙ Proteine und Aminosäuren
➙ Nukleinsäuren und Nukleotide
➙ Verdauung von Makromolekülen
➙ Stickstoffstoffwechsel
➙ Aminosäurestoffwechsel
➙ Purinstoffwechsel
➙ 3. Kohlenhydrate
➙ Glucose und weitere Monosaccharide
➙ Disaccharide und Polysaccharide
➙ Glucose im menschlichen Körper
➙ Insulin
➙ Diabetes
➙ Typ-1-Diabetes (Jugenddiabetes)
➙ Typ-2-Diabetes (Altersdiabetes)
➙ Kohlenhydratbezogene Ernährungsaspekte bei Diabetes
➙ 4. Lipide
➙ Lipide in der Ernährung
➙ Fettsäuren und Triglyceride
➙ Phospholipide
➙ Cholesterin
➙ Lipoproteinstoffwechsel
➙ Cholesterin-Stoffwechsel
➙ Atherosklerose
➙ 5. „Low Carb“: Der Hungerstoffwechsel
➙ Hungerstoffwechsel ohne Hungern
➙ 6. Mikronährstoffe
➙ Spurenelemente
➙ Eisen
➙ Calcium
➙ Vitamine
➙ Die antioxidativen Vitamine E und C
➙ Das „Sonnenvitamin“ D
➙ Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe
Lebende Organismen benötigen sowohl Energie für ihre Lebensvorgänge als auch Materie zum Aufbau neuer Strukturen. Im Gegensatz zu Pflanzen, die auch das Sonnenlicht nutzen können, sind Menschen, Tiere und Pilze für beides auf die Zufuhr spezieller Nahrung angewiesen. Die Mechanismen, mit denen Energie und neues Baumaterial aus der Nahrung gewonnen wird, werden zusammengefasst als Stoffwechsel bezeichnet.
Beim Stoffwechsel werden zwei Teilbereiche unterschieden: Der Energiestoffwechsel stellt Energie in einer Form zur Verfügung, die für den Organismus verwertbar und speicherbar ist. Dazu werden Nahrungsbestandteile abgebaut und letztlich verbrannt. Dieser Teil des Stoffwechsels wird daher als katabol bezeichnet. Biosynthetische Stoffwechselprozesse bauen komplizierte körpereigene Strukturen, beispielsweise neues Gewebe, aus einfachen Grundbausteinen auf. Dies ist der anabole Teil des Stoffwechsels.
Teilt man die uns umgebende Materie in immer kleinere Bestandteile, so bleiben schließlich nur etwa 100 verschiedene sogenannte chemische Elemente übrig. Sie bestehen aus kleinen, chemisch nicht weiter teilbaren Teilchen, den Atomen. Diese Atome können sich in bestimmten Kombinationen zu Verbindungen zusammenschließen und bilden so die kaum zu überblickende Vielzahl an Substanzen, die wir in der Welt wahrnehmen (z. B. Wasser, Luft, Erdgas, Zucker, Haare …). Sie unterscheiden sich durch unterschiedlichste Eigenschaften voneinander. Die meisten Verbindungen sind Moleküle, in denen Atome wie durch kleine Bänder miteinander verknüpft sind.
In der Biologie, d. h. in Organismen, kommen nur wenige der etwa 100 chemischen Elemente in größerer Menge vor. Es sind (in Klammern die chemischen Abkürzungen) vor allem Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O) und Stickstoff (N) sowie in schon deutlich geringerem Maße Schwefel (S) und Phosphor (P). Gemeinsam bilden sie eine ungeheure Vielzahl an Molekülen. Daneben kommen im menschlichen Körper, meist außerhalb von Molekülen, noch Calcium (Ca), Natrium (Na), Chlor (Cl), Kalium (K) und Magnesium (Mg) in größeren Mengen vor. Weitere Elemente, die für die Ernährung zwar unbedingt erforderlich sind, jedoch nur in geringen Mengen, werden als Spurenelemente bezeichnet.
Die organische Chemie ist das Teilgebiet der Chemie, das für die Biochemie des Menschen von zentraler Bedeutung ist. Sie beschäftigt sich mit Molekülen, die Kohlenstoff enthalten. Kohlenstoffatome bilden leicht lange Ketten, an die zusätzlich Wasserstoff gebunden ist. Diese Verbindungen werden als Kohlenwasserstoffe bezeichnet. Benzin besteht im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen. Diese sind sehr energiereich und lassen sich gut verbrennen, wie jeder Verbrennungsmotor eindrücklich demonstriert. Darüber hinaus sind sie chemisch jedoch recht inaktiv und da eine Verbrennung mit offener Flamme für einen biologischen Organismus keine Option ist, sind sie für die Ernährung zunächst unbedeutend.
Derart inaktive Kohlenwasserstoffketten können durch sogenannte funktionelle Gruppen zu chemisch aktiveren Molekülen werden, die dann im Rahmen der chemischen Vorgänge des Stoffwechsels genutzt werden können. Funktionelle Gruppen sind bestimmte Atomgruppierungen, die an einer Kohlenstoffkette hängen. Neben der stickstoffhaltigen Aminogruppe, die vor allem in Aminosäuren vorkommt, sind die folgenden die biochemisch wichtigsten (in Klammern die Namen der Verbindungsklassen, die durch diese funktionellen Gruppen charakterisiert werden):
Verbindet sich eine Substanz mit Sauerstoff, so kennt man diesen Vorgang als Verbrennung. Chemisch bezeichnet man dies als Oxidation. Wie bei Verbrennungen üblich, setzen demnach auch Oxidationen Energie in Form von Wärme frei. Diese wird in einem Verbrennungsmotor genutzt, um beispielsweise ein Auto anzutreiben und einen Berg hinauffahren zu lassen. Was bei einer Verbrennung mit offener Flamme sehr schnell passiert, läuft im Energiestoffwechsel schrittweise ab: Die Verbrennung eines Nahrungsmoleküls erfolgt, indem immer mehr Sauerstoffatome immer fester mit dem kohlenstoffhaltigen Nahrungsmolekül verbunden werden. Die dabei freiwerdenden Energiemengen entweichen nur zum Teil als Wärme, der Rest wird in chemischer Form als Molekül mit dem Namen ATP (Adenosintriphosphat) gespeichert. Damit ist das Ziel des Energiestoffwechsels, Energie für biochemische Prozesse bereitzustellen, erreicht.
In der vorstehenden Aufzählung sind die funktionellen Gruppen in der Reihenfolge aufgeführt, in der diese schrittweisen Oxidationen stattfinden: Vom Kohlenwasserstoff (Benzin im Autobeispiel) ausgehend (entspricht dem energetisch nutzbaren Hauptanteil der Nahrungsfette, siehe „Fettstoffwechsel“) bilden sich zunächst Alkohole (zu denen auch die verschiedenen Zucker gehören, siehe „Kohlenhydrate“), dann Aldehyde bzw. Ketone und schließlich Säuren. Als letzter Schritt bildet sich – wie bei einer klassischen Verbrennung – das Endprodukt OCO, also CO2, Kohlendioxid, das sowohl mit dem Autoabgas als auch mit unserer Ausatemluft abgegeben wird.
Die kleinste Einheit des Lebendigen ist eine Zelle. Durch Teilung entstehen daraus zwei Tochterzellen. Die kleinsten Organismen sind Einzeller, die nur aus einer Zelle bestehen. Die meisten von ihnen sind Bakterien oder die bakterienartigen Archaeen. Im Laufe der Evolution hat vermutlich eine Archaeenzelle eine Bakterienzelle dauerhaft aufgenommen, die dadurch zu einem Endosymbionten des neu entstandenen Zelltyps der Eukaryonten wurde. Dieser bakterielle Endosymbiont vermehrt sich innerhalb des eukaryontischen Zelle und wird an deren Tochterzellen weitergegeben. Zu den Eukaryonten gehören neben einer Reihe von Einzellern alle Vielzeller inklusive des Menschen. Aus dem bakteriellen Endosymbionten hat sich eine Struktur im Zellinneren entwickelt, die Mitochondrium genannt wird. Sie ist an vielen Stoffwechselprozessen beteiligt und insbesondere für den Energiestoffwechsel der eukaryontischen Zelle von ganz zentraler Bedeutung.
Der Stoffwechsel einer Zelle ist sehr effizient und strukturiert aufgebaut. Mehrere aufeinander folgende chemische Reaktionen, in denen Nahrungssubstanzen in andere Stoffe und Zwischenprodukte umgewandelt werden, werden aus Sicht der Biochemie als Stoffwechselweg zusammengefasst. Für jede Gruppe von Molekülen, die als Energiequelle in unserer Nahrung wichtig sind, existiert ein zentraler Stoffwechselweg, der zunächst zu einem einheitlichen Zwischenprodukt führt, der sogenannten aktivierten Essigsäure (Acetyl-CoA). Der Stoffwechselweg dorthin ist für Zucker (Kohlenhydrate) die Glykolyse, der für Fette (für die energiereichen Fettsäuren, siehe „Fettstoffwechsel“) ist die β-Oxidation. Die aktivierte Essigsäure tritt dann in den Zitronensäure-Zyklus (Citratzyklus) ein und den Abschluss der Energiegewinnung bildet die Atmungskette. In der Atmungskette wird der über die Lunge aufgenommene Sauerstoff verbraucht. Das ausgeatmete Kohlendioxid entsteht im Citratzyklus. Wenn Proteine zur Energiegewinnung abgebaut werden, werden die genannten Wege in unterschiedlichen Kombinationen ebenfalls genutzt.
Viele der mengenmäßig wichtigsten Nahrungsbestandteile bestehen aus sogenannten Makromolekülen (gr. makros „groß“). Makromoleküle entstehen aus bestimmten kleinen Molekülen, die wie Kettenglieder aneinandergehängt eine Kette ergeben, die dem Makromolekül entspricht. Die einzelnen Bausteine, Monomere (gr. monos „ein“ und meros „Teil“) genannt, sind oft unterschiedlich, gehören jedoch meist zur selben Stoffklasse, sodass der chemische Verknüpfungsmechanismus zum Polymer (gr. poly „viel“), wie Makromoleküle auch genannt werden, identisch ist. In der Ernährung spielen Proteine, komplexe Kohlenhydrate und Nukleinsäuren als Makromoleküle eine Rolle. Proteine bestehen aus Aminosäuren, komplexe Kohlenhydrate aus Einfachzucken (siehe „Kohlenhydrate“) und Nukleinsäuren aus Nukleotiden. Eine biologische Zelle muss für den Aufbau von Makromolekülen Energie aufwenden.
Proteine, auch Eiweiße genannt, bestehen aus gut 20 verschiedenen Aminosäuren. Wie der Name sagt, sind Aminosäuren chemisch durch eine stickstoffhaltige Aminogruppe und eine Säuregruppe (➙„Verbindungen der organischen Chemie“) charakterisiert. Beide werden für die Verknüpfung zweier Aminosäuren benötigt. In der Natur wird dieser Vorgang von evolutiv sehr alten molekularen Maschinen, den Ribosomen, durchgeführt, die in jeder Zelle enthalten sind und die für ihre Arbeit Energie benötigen, die letztlich aus ATP stammt (➙„Oxidation und Energiegewinnung“).
Einen Teil der benötigten Aminosäuren kann der menschliche Körper selbst aus sehr einfachen Vorläufermolekülen herstellen. Etwa acht sogenannte essentielle Aminosäuren müssen jedoch zwingend mit der Nahrung aufgenommen werden, daher kommt dem ausgewogenen Verhältnis dieser Aminosäuren bei der Ernährung eine große Bedeutung zu. Tierisches Protein (Fleisch, Fisch, Ei und Milch) entspricht dem menschlichen Bedarf aufgrund der evolutiven Nähe relativ gut. Pflanzlichem Protein hingegen fehlen je nach Pflanze(ngruppe) einzelne für den Menschen essentielle Aminosäuren in unterschiedlich starkem Ausmaß, sodass es bei einer einseitigen veganen Ernährung trotz möglicherweise hoher Gesamtproteinaufnahme zu Proteinmangel kommen kann, da nicht genügend essentielle Aminosäuren zur Verfügung stehen, um die benötigten menschlichen Proteine zu bilden. Die dadurch überschüssigen anderen Aminosäuren werden im Energiestoffwechsel abgebaut.
Durch geschickte Kombination verschiedener pflanzlicher Proteinquellen ergänzen sich diese zu einer hochwertigen, tierischen Quellen ebenbürtigen Versorgung. Ein typisches Beispiel ist die Kombination von Mais mit Hülsenfrüchten wie Bohnen, die Bestandteil der traditionellen Ernährung vieler Kulturen ist, in denen Mais das Grundnahrungsmittel darstellt: Hülsenfrüchte gleichen den Mangel an der Aminosäure Lysin aus, der für Getreide wie Mais charakteristisch ist, und Mais ergänzt schwefelhaltige Aminosäuren, die wiederum in Hülsenfrüchten nur in geringen Mengen vorkommen.
Zu den Nukleinsäuren zählen die DNA (engl. desoxyribonucleic acid, deutsch auch DNS, Desoxyribonukleinsäure), die die Erbinformation jeder Zelle speichert, sowie die RNA (engl. ribonucleic acid, deutsch auch RNS, Ribonukleinsäure), die in jeder Zelle in größerer Menge vorliegt. Beide bestehen aus Nukleotiden, die ihre Monomere darstellen und zu denen auch der Energiespeicher ATP gehört (➙„Oxidation und Energiegewinnung“). Jedes Nukleotid besteht aus drei miteinander verbundenen Komponenten: einem Zucker, einem Phosphatanteil sowie einer von etwa einem halben Dutzend mengenmäßig relevanter, sogenannter Basen. Jede dieser Basen gehört zu einem von zwei Grundtypen, den Purinen und den Pyrimidinen. Die Basen bilden nach den Aminosäuren die zweite der beiden mengenmäßig für die Ernährung bedeutendsten Stoffgruppen, die Stickstoff enthalten.
Im Verdauungstrakt, dessen Inhalt letztlich noch zum Körperäußeren gehört, müssen die Nahrungsbestandteile in die Körperzellen übertreten, die sie weiterverwerten bzw. ins eigentliche Körperinnere weitergeben. Dazu müssen sie die Zellmembran durchdringen, was Makromolekülen aufgrund ihrer Größe üblicherweise nicht möglich ist. Nur die Monomere oder sehr kleine Bruchstücke wie Dimere oder Trimere (aus zwei bzw. drei Monomeren) können über drehtürartige Poren aufgenommen werden. Daher ist mit Blick auf die Nährstoffaufnahme die wichtigste Aufgabe, die überwiegend im Dünndarm stattfindet, dass Makromoleküle zur ihren Grundeinheiten abgebaut werden. Die chemischen Substanzen, die dies bewirken, stammen insbesondere aus der Bauchspeicheldrüse, die einen Ausgang im oberen Teil des Dünndarm besitzt. Die aufgenommenen Monomere werden in ihren Zielgeweben entweder zur Energiegewinnung genutzt oder zum Aufbau körpereigener Makromoleküle verwendet.
Werden die aus der Nahrung aufgenommenen Aminosäuren nicht zum Aufbau körpereigener Proteine genutzt, werden sie im Energiestoffwechsel abgebaut. Dazu wird zunächst die stickstoffhaltige Aminogruppe abgespalten und letztlich überwiegend in Form von Harnstoff ausgeschieden. Von der Aminosäure verbleibt nach Abspaltung der Aminogruppe eine Säure, die letztlich – je nach ursprünglicher Aminosäure – an unterschiedlicher Stelle in den Energiestoffwechsel aus β-Oxidation, Glykolyse und Citratzyklus eingeschleust wird (➙„Stoffwechselgrundlagen“).
Fast alle grundlegenden Stoffwechselwege sind umkehrbar, sie können also nicht nur zum Energiegewinn durch Abbau genutzt werden, sondern – unter Energieverbrauch – auch zur Synthese der ehemaligen Ausgangsstoffe. Der Citratcyclus kann in beide Richtungen ablaufen, die Umkehr der Reaktionsfolge der Glykolyse wird als Gluconeogenese bezeichnet, und aktivierte Essigsäure dient als Ausgangssubstanz für die Fettsäurebiosynthese. Menschen sind wie alle Tiere jedoch nicht in der Lage, aktivierte Essigsäure, das zentrale, zwei Kohlenstoffatome enthaltende Molekül dieser drei Stoffwechselwege zu nutzen, um Glucose, also Zucker, zu produzieren. Unser Stoffwechsel benötigt für die Herstellung von Glucose Moleküle, die aus Grundkörpern mit mindestens drei Kohlenstoffatomen bestehen. Daraus erwächst ein zentrales Problem für den Stoffwechsel im Hunger: Menschen und Tiere haben sich aufgrund ihres üblicherweise mobilen Lebensstils im Laufe der Evolution für das sehr energiedichte Fett als Energiespeicher entschieden und gegen die durch ihre Wasserlöslichkeit sehr voluminösen und schweren Kohlenhydrate. Wird keine Nahrung aufgenommen, entsteht daher bereits nach nur etwa einem Tag ein akuter Glucosemangel, da die gespeicherten Fettsäuren in der β-Oxidation aktivierte Essigsäure ergeben, die zur Glucoseproduktion nicht verwendet werden kann. Ein Ausweg ist der Abbau von körpereigenem Protein. Da es keine Proteinspeicher gibt, werden die mengenmäßig großen „Vorräte“ an Muskelprotein angegriffen sowie die Proteine im Blutplasma. Die aus den Aminosäuren nach der Entfernung der Aminogruppe entstehenden Kohlenstoffgerüste sind entweder ketogen oder glucogen oder beides, je nachdem, wo sie in den Stoffwechsel eingeführt werden. Die glucogenen Aminosäuren sind die im Hunger wertvollsten Aminosäuren, denn aus ihnen kann die dringend benötigte Glucose hergestellt werden. Aufgrund dieses Zusammenhanges werden heute medizinisch keine Null-Diäten zum Abnehmen mehr durchgeführt, da sie unweigerlich mit einem überproportionalen Verlust an Muskelmasse einhergehen. Stattdessen wird z. B. täglich die benötigte Menge Protein zugeführt. (➙„Hungerstoffwechsel“)
Nukleotide können ebenfalls, ggf. nach Umbau, zur Synthese körpereigener Nukleinsäuren verwendet werden. Überzählige Nukleotide werden abgebaut. Fleisch enthält besonders viele Nukleinsäuren und Nukleotide, aber im Gegensatz zu vielen ausschließlich Fleisch fressenden Tieren ist der Mensch nicht in der Lage, eine bestimmte chemische Reaktion am Ende des Purinabbaus (➙„Nukleinsäuren und Nukleotide“) durchzuführen, sodass der Abbau von Purinbasen unvollständig bleibt und statt eines vollständigen Abbaus Harnsäure produziert wird (nicht zu verwechseln mit dem davon völlig verschiedenen Harnstoff aus dem Aminosäureabbau). Die Harnsäure wird ebenfalls ausgeschieden, ist jedoch schlecht wasserlöslich, sodass sie bei zu hohen Konzentrationen leicht auskristallisiert. Die nadelförmigen Kristalle der Harnsäure reizen Gelenke und sind die Ursache der Beschwerden bei Gicht, die insbesondere nach reichhaltiger Fleischaufnahme auftreten.
Kohlenhydrate, auch Saccharide oder Zucker genannt, sind Aldehyde oder Ketone, die viele OH-Gruppen (Alkoholgruppen) enthalten (➙„Verbindungen der organischen Chemie“). Mit Blick auf ihre Oxidationsstufe und damit ihrem Energiegehalt entsprechen sie daher überwiegend den Alkoholen (➙„Oxidation und Energiegewinnung“). Einfache Kohlenhydrate sind kleine Moleküle mit typischerweise drei bis sieben (in der Natur meistens sechs) Kohlenstoffatomen. Sie werden als Monosaccharide oder Einfachzucker bezeichnet. Sie können sich als Monomere (➙„Makromoleküle“) zu Disacchariden aus zwei, Trisacchariden aus drei usw. bis hin zu komplexen Polysacchariden aus Tausenden von Einfachzuckern verbinden.
Glucose (Traubenzucker) ist der in der Natur häufigste Einfachzucker. Sie spielt im Stoffwechsel eine zentrale Rolle, denn alle Einfachzucker werden letztlich in ihren zentralen Abbauweg, die Glykolyse, eingeschleust. Dazu gehören insbesondere die Fructose (Fruchtzucker) und die Galactose sowie die Ribose, die nur fünf Kohlenstoffatome enthält und die Zuckerkomponente der Nukleotide ist (➙„Nukleinsäuren und Nukleotide“).
Monosaccharide aus der Nahrung stammen häufig aus Disacchariden, die im Laufe der Verdauung in ihre beiden Monosaccharide gespalten werden. Das für die Ernährung bedeutendste Disaccharid ist Saccharose (Haushaltszucker). Sie besteht aus je einer Einheit Glucose und Fructose. Lactose (Milchzucker) ist die bedeutendste Quelle für Galactose, die in Lactose mit Glucose kombiniert ist. Maltose (Malzzucker) besteht aus zwei Glucoseeinheiten.
Das häufigste Polysaccharid auf der Erde ist Cellulose, aus der die stabile Zellwand pflanzlicher Zellen besteht. In ihr sind ausschließlich Glucosemoleküle linear miteinander verknüpft. Weder der Mensch noch – bis auf ganz wenige Ausnahmen – irgendein Tier ist in der Lage, Cellulose selbst zu verdauen, d. h. die Cellulose in Glucose aufzuspalten (➙„Verdauung von Makromolekülen“). Viele Tiere, allen voran die Wiederkäuer und eine Reihe von Insekten, z. B. Termiten, verwerten Cellulose jedoch indirekt durch celluloseabbauende Bakterien in ihrem Verdauungssystem; der Mensch ist dazu jedoch nicht in relevantem Maß in der Lage, sodass Cellulose für den Menschen ein unverdaulicher Ballaststoff ist.
Stärke ist ein Polysaccharid, das ebenfalls ausschließlich aus Glucose besteht, jedoch sind die Glucoseeinheiten minimal anders miteinander verbunden. Dieser kleine Unterschied führt dazu, dass Menschen und Tiere Stärke verdauen können, indem sie sie schrittweise in Glucose aufspalten. Dieser Prozess beginnt beim Menschen bereits im Mund durch eine Komponente des Speichels. Stärkemoleküle sind meist mehr oder weniger stark verzweigt, man unterscheidet daher verschiedene Formen der Stärke, insbesondere pflanzliche Stärke (aus linearer Amylose und verzweigtem Amylopektin) und tierische Stärke (Glycogen, stark verzweigt). Stärke dient bei Pflanzen und Tieren als Kohlenhydrat- und Energiespeicher. Die Glycogenvorräte des Menschen befinden sich überwiegend in den Muskeln und in der Leber.
Stärke kommt im Pflanzenreich besonders in Gräsern und in Kartoffeln sowie einigen anderen Knollen- und Wurzelgemüsen vor. Pflanzen verwenden jedoch je nach Pflanzenfamilie alterativ eine Vielzahl anderer Polysaccharide (aus in der Regel unterschiedlich komplizierten Abfolgen verschiedener Monosaccharide) als Speichermoleküle sowie verschiedene weitere Mono-, Di-, Tri- und Tetrasaccharide. Diese sind für den menschlichen Stoffwechsel meist nicht verwertbar, stellen also Ballaststoffe dar, die zum Teil durch die Darmflora abgebaut werden. Häufige Beispiele sind Hülsenfrüchte (mit verschiedenen „ungewöhnlichen“ Kohlenhydraten) oder Topinambur (enthält insbesondere Inulin).
Glucose wird entweder als Glycogen gespeichert oder liegt frei in Körperflüssigkeiten vor, um die Energieversorgung der Zellen zu gewährleisten. Dafür ist ein ausreichend hoher Blutzuckerspiegel erforderlich, der sich ausschließlich auf die Glucosekonzentration bezieht und nüchtern typischerweise bei knapp 100 Milligramm pro 100 Milliliter liegt. Die Glucose gelangt durch kleine Schleusen in der Zellmembran, die Glucosetransporter (GLUT), in die Zellen. Von diesen Transportern gibt es verschiedene Typen, die durch Nummern voneinander unterschieden werden. GLUT1 ist für die Grundversorgung der Zelle mit Glucose verantwortlich und daher in jeder Zelle vorhanden.
Insulin ist ein Hormon, das von der Bauchspeicheldrüse ausgeschüttet wird, wenn der Blutzuckerspiegel steigt. Dadurch teilt es den übrigen Zellen des Körpers mit, dass gerade Nahrung aufgenommen wurde und Kohlenhydrate verarbeitet, d. h. verbrannt oder gespeichert werden müssen (sowie meistens auch Fette, die wegen der langsameren Fettverdauung (➙„Lipoproteinstoffwechsel“) etwas später im Blutkreislauf erscheinen). Insulin aktiviert die nur in Muskeln und im Fettgewebe vorhandenen Glucoseschleusen GLUT4, die sehr effektiv Glucose in die Zellen befördern. Dadurch sinkt der Blutzuckerspiegel wieder, die Insulinausschüttung durch die Bauchspeicheldrüse endet schließlich, und die Verteilung der mit der Nahrung aufgenommenen Glucose ist abgeschlossen. Da Glucosemoleküle nicht gespeichert werden können, werden sie im Muskel (wie auch in der Leber) zu Glycogen verknüpft und stehen dem Muskel als Energiespeicher für anschließende Belastungssituationen zur Verfügung. Fettzellen hingegen verbrauchen die Glucose und bauen daraus Speicherfett auf.
Diabetes mellitus („honigsüßer Durchfluss“) ist eine Gruppe von Stoffwechselerkrankungen, die mit einem erhöhten Blutzuckerspiegel einhergehen. Glucose ist ein so kleines Molekül, dass es in der Niere vom Blut in den Harn übertritt. Da Glucose für den Körper jedoch eine besonders wertvolle Substanz ist, wird sie von der Niere wieder ins Blut zurücktransportiert, damit sie nicht verlorengeht. Steigt der Blutzucker über einen bestimmten Wert, so wird diese Rückhaltefähigkeit der Niere überlastet und Glucose verbleibt im Harn, der namensgebend für die verantwortlichen Krankheitsbilder wird.
Für krankheitsbedingt erhöhte Blutzuckerspiegel gibt es verschiedene Ursachen, nach denen verschiedene Typen des Diabetes unterschieden werden. Im Folgenden werden die beiden bekanntesten kurz vorgestellt. Sie unterscheiden sich trotz der Namensähnlichkeit und des Hauptsymptoms, des erhöhten Blutzuckerspiegels, erheblich.
Die Erkrankung tritt üblicherweise im Kinder- oder Jugendalter erstmalig auf. Der Grund für den erhöhten Blutzuckerspiegel ist, dass die Bauchspeicheldrüse aufgrund einer Autoimmunreaktion kein Insulin mehr produzieren kann. Das Fehlen dieses hormonellen Signals für die Verarbeitung von aufgenommenen Nahrungsmolekülen führt einerseits zum Anstieg des Blutzuckers, da der Hochleistungstransporter für Glucose, GLUT4, nicht mehr aktiv wird, sodass zu wenig Glucose aus dem Blut entfernt wird. Andererseits „schlussfolgern“ die Körperzellen fälschlich, dass keine Nahrung aufgenommen wurde, und schalten das Programm des Hungerstoffwechsels an (➙„Hungerstoffwechsel“). Da dies die Verwendung von gespeicherten Fetten zur Energiegewinnung beinhaltet sowie die Umwandlung von vorwiegend Muskelprotein zu Glucose, sind die Betroffenen bei der Diagnose meist sehr dünn und ihr Blutzucker steigt durch die Eigenproduktion von Glucose weiter an.
Der wichtigste Teil der Behandlung ist das Zuführen der benötigten Insulinmengen von außen. Eine besondere Herausforderung dabei ist die Bestimmung der korrekten Insulinmenge, die u. a. von der gegessenen Menge und der Aufnahmegeschwindigkeit der Glucose und der Glucose enthaltenden, komplexen Kohlenhydrate, vor allem Stärke, abhängt. Da Insulin im Körper sehr schnell abgebaut wird und sich dies pharmazeutisch und biochemisch nur eingeschränkt hinauszögern lässt, sind mehrere Gaben am Tag erforderlich. Außerdem ist Insulin chemisch ein Protein und würde daher bei oraler Aufnahme als Tablette oder Flüssigkeit nicht intakt aufgenommen werden, sondern verdaut und in Aminosäuren zerlegt werden, weshalb es injiziert werden muss.
Diese häufigste Form des Diabetes tritt üblicherweise in späterem Lebensalter auf. Der Grund für den erhöhten Blutzuckerspiegel ist eine gesunkene Insulinsensitivität, d. h. die Zellen des Körpers bemerken die Anwesenheit von Insulin nicht mehr gut genug. Die Effekte sind der Situation des Typ-1-Diabetes vergleichbar: GLUT4 wird kaum noch aktiv, der Blutzuckerspiegel sinkt als Folge nicht mehr ausreichend ab und die Mechanismen des Hungerstoffwechsels werden aktiv. Da der Blutzuckerspiegel nicht sinkt, schüttet die Bauchspeicheldrüse immer mehr Insulin aus, sodass während der Frühphase der Erkrankung schließlich doch noch normale Blutzuckerspiegel erreicht werden, bis die Insulinsensitivität zu stark abgenommen hat bzw. die Bauchspeicheldrüse irgendwann nicht mehr in der Lage ist, weiteres Insulin zu produzieren. Erst in dieser Spätphase müssen die Betroffenen Insulin zuführen, davor ist es möglich, die Insulinsensitivität durch Lebensstilveränderungen und/oder Medikamente zu erhöhen, sodass die Erkrankung kontrolliert werden kann. Viele Betroffene sind bei der Diagnose übergewichtig, da Übergewicht ein Hauptrisikofaktor für die Entwicklung von Typ-2-Diabetes darstellt.
Begleitend zu jeder Diabetesbehandlung ist eine Diät mit einem reduzierten Glucosegehalt (im Falle des häufig vorkommenden Übergewichtes bei Typ-2-Diabetes wird gleichzeitig eine Gewichtsnormalisierung angestrebt). Dabei ist zu beachten, dass Glukose normalerweise kaum als freies Monosaccharid aufgenommen wird (Ausnahmen bei stark verarbeiteten Lebensmitteln), sondern im Wesentlichen über Disaccharide (insbesondere Saccharose und Lactose, je 50 % Glucosegehalt) und komplexe Kohlenhydrate (insbesondere Stärke, 100 % Glucosegehalt). Disaccharide und komplexe Kohlenhydrate, die die menschliche Verdauung nicht aufschließen kann, sind Ballaststoffe und tragen nicht zur Glucoseaufnahme bei.
Um den Kohlenhydratanteil einer Diät einfacher berechnen zu können, war früher die Broteinheit (BE) üblich, die angab, wie viele Kohlenhydrate in einer bestimmten Menge eines Nahrungsmittels enthalten waren. Aufgrund international unterschiedlicher Definitionen und anderer Probleme wird die Broteinheit mittlerweile offiziell nicht mehr verwendet.
Der glykämische Index (GI) versucht, die Wirkung eines Nahrungsmittels auf den Blutzuckerspiegel zu beschrieben. Dies hängt im Wesentlichen mit der Geschwindigkeit zusammen, mit der Glucose aus der Nahrung ins Blut übertritt. Je langsamer dies geschieht, desto weniger stark steigt der Blutzucker, weil sich die Glucosemenge über einen längere Zeitraum verteilt. Der glykämische Index von Glucose wird willkürlich als 100 festgelegt und alle anderen Werte relativ dazu ermittelt. Der glykämische Index ist geringer („besser“), je länger das Verdauungssystem für die Freisetzung der Glucose benötigt, beispielsweise aus komplexen Kohlenhydraten oder im Beisein von unverdaulichen Ballaststoffen. Die Anwendung des glykämischen Index ist jedoch problematisch, denn er kann stark schwanken, u. a. in Abhängigkeit von der Kombination der Nahrungsmittel, der Zubereitungsart und individuellen Veranlagungen. Überdies ist sein Nutzen für Diäten zur Gewichtsreduktion stark umstritten, da er nur den Glucoseanteil der zugeführten Gesamtenergie erfasst; viele Nahrungsmittel mit wenig Kohlenhydraten und damit einem niedrigen glykämischen Index enthalten stattdessen Fett oder Protein.
Andere Monosaccharide als Glucose sind nicht blutzuckererhöhend und werden insulinunabhängig aus dem Blut entfernt. Das unbedachte Ersetzen von Glucose beispielsweise durch Fructose kann trotz einer günstigeren Wirkung auf den Blutzucker jedoch offenbar andere negative Folgen haben.
Lipide sind alle Substanzen, die sich nicht in Wasser, dafür aber in Flüssigkeiten wie Waschbenzin oder ähnlichem lösen. Es handelt sich daher im Vergleich zu den strukturell recht genau definierten Kohlenhydraten um eine sehr heterogene Stoffgruppe mit vielen unterschiedlichen Vertretern. Alternativ wird häufig der Begriff „Fette“ benutzt, der jedoch im engeren Sinne nur eine Untergruppe, die Triglyceride beschreibt. Sind sie nicht fest sondern flüssig, werden sie als Öle bezeichnet.
Einige Lipide sind nicht vollkommen wasserunlöslich, sondern besitzen einen Bereich im Molekül, der sich mehr oder weniger gut mit Wasser verträgt. Solche Moleküle, von denen ein Teil mit Wasser, ein anderer nur mit anderen Lipiden interagiert, nennt man amphiphil. Versucht man, sie mit Wasser zu vermischen, ordnen sie sich kugelförmig an und zwar so, dass die wasserlöslichen Anteile nach Außen zum Wasser und die lipidlöslichen Anteile nach Innen zeigen, da sich im Inneren der Kugel kein Wasser befindet. Auf diese Weise lassen sich amphiphile Moleküle in Wasser lösen.
Im Folgenden werden die für die Ernährung wichtigsten Lipidgruppen vorgestellt. Weitere Lipide, die in der Ernährung eine Rolle spielen, sind die fettlöslichen Vitamine (➙„Vitamine“) sowie einige weitere Verbindungen.
Kohlenwasserstoffketten, die an einem Ende eine saure COOH–Gruppe tragen, werden als Fettsäuren bezeichnet. Mengenmäßig dominieren in der Ernährung Fettsäuren mit 16 und 18 Kohlenstoffatomen, der Kohlenwasserstoffanteil überwiegt den Säureanteil daher erheblich. Ernährungsphysiologisch entsprechen Fettsäuren deshalb Kohlenwasserstoffen und übernehmen im Stoffwechsel quasi die chemische Rolle von Benzin (➙„Oxidation und Energiegewinnung“), indem aus ihnen eine große Energiemenge freigesetzt werden kann.
Da es sich bei den Fettsäuren aufgrund der wasserlöslichen Säuregruppe um amphiphile Moleküle handelt, eignen sie sich in dieser Form nicht gut für die Speicherung im Organismus. Die Säuregruppe verschwindet durch die Reaktion von drei Fettsäuren mit einem Molekül des dreiwertigen Alkohols Glycerol (= Glycerin). Das entstandene, komplett wasserunlösliche Molekül ist ein Triglycerid. Triglyceride sind der Hauptbestandteil dessen, was in Nahrungsmitteln landläufig als „Fett“ bezeichnet wird, und auch Öle bestehen aus ihnen.
In der Kohlenwasserstoffkette einer Fettsäure können Wasserstoffatome fehlen. Es liegt dann eine ungesättigte Fettsäure vor, die an den Stellen, an denen zwei Wasserstoffatome fehlen, Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen enthält. Je nach Anzahl der Doppelbindungen handelt es sich um einfach oder mehrfach ungesättigte Fettsäuren. Sie werden insbesondere von Pflanzen in größerem Anteil hergestellt. An einer solchen Doppelbindung kann die Kohlenstoffkette entweder mehr oder weniger gerade verlaufen (chemisch trans genannt) oder aber abknicken (cis). In natürlichen Fettsäuren treten fast ausschließlich cis-Doppelbindungen auf, sodass unser Stoffwechsel für deren Abbau ausgelegt ist. Bei der Fetthärtung (einfache/günstige Herstellungsverfahren von Margarine und anderen industriell verarbeiteten Fetten) und starker Erhitzung mehrfach ungesättigter Fettsäuren entstehen trans-Fettsäuren, die gesundheitlich bedenklich und in vielen Ländern in Nahrungsmitteln verboten sind.
Einige mehrfach ungesättigte Fettsäuren sind für den Menschen essentiell, müssen also mit der Nahrung zugeführt werden, da der Körper sie nicht selber herstellen kann. Sie gehören zu den sogenannten Omega-3- und Omega-6-Fettsäuren, einer Namensgebung, die sich aus der chemischen Angabe zur Position der Doppelbindungen ableitet.
In den verbreitetsten Typen der Phospholipide ist eine Fettsäure eines Triglycerids durch eine Phosphatgruppe ersetzt, an der wiederum meist ein weiterer Alkohol hängt. Dadurch sind Phospholipide amphiphil und in der Lage, in Wasser dreidimensionale Strukturen zu bilden. Eine davon ist die Zellmembran jeder Körperzelle.
Cholesterin ist ein Lipid, dass aus vier Kohlenwasserstoffringen und einigen Anhängseln, u. a. einer wasserlöslichen Alkoholgruppe besteht. Es ist daher ebenfalls amphiphil und im Körper in Membranen der Zellen zu finden, für deren Stabilität es unerlässlich ist. Aufgrund seiner Struktur gehört es chemisch zu den Steroiden und ist im Körper Ausgangsstoff für die Herstellung der Steroidhormone, zu denen u. a. Glucocorticoide wie Cortisol oder die Sexualhormone gehören. Cholesterin wird nur von Tieren inklusive des Menschen produziert und kommt daher in pflanzlichen Nahrungsmitteln und Pilzen nicht vor.
Für die Aufnahme der Nahrungslipide im Darm müssen diese in eine wasserlösliche Form überführt werden. Dazu dienen Gallensäuren, die von der Leber produziert werden und als amphiphatische Moleküle wasserlösliche Kugeln bilden. Im wasserfreien, lipidreichen Inneren solcher Kugeln können sich komplett wasserunlösliche Lipide wie Triglyceride aufhalten, selbst wenn die Kugel komplett von Wasser umgeben ist. Die Lipide werden anschließend Molekül für Molekül in die Darmzellen aufgenommen.
Auf der anderen, dem Körperinneren zugewandten Seite der Darmzellen befindet sich mit der Lymphflüssigkeit und dem Blut wieder eine wässrige Umgebung, in die die Lipide wiederum nur abgegeben können, wenn sie zuvor mit amphiphilen Molekülen in wasserlösliche Transportkugeln verpackt wurden. Die hierfür verwendeten amphiphilen Moleküle sind Phospholipide, und das entstehende Gebilde wird Chylomikron genannt. Um diese Kugel zu stabilisieren und ihre Größe zu begrenzen (zu große Kugeln würden feine Blutgefäße verstopfen), gibt es ein Gerüst aus Protein, weshalb die Transportkugeln, die im Körper für den Großteil des Lipidtransportes verwendet werden, Lipoproteine genannt werden.
Die Chylomikronen enthalten entsprechend der Lipidzusammensetzung der Mahlzeit überwiegend Triglyceride sowie gegebenenfalls etwas Cholesterin. Die Triglyceride werden von Muskeln und dem Fettgewebe noch im Blutstrom den Chylomikronen entnommen, sodass nur das Cholesterin in den entstehenden Chylomikronen-Remnants verbleibt. Diese werden in die Leber aufgenommen.
Der beschriebene exogene Weg des Lipoproteinstoffwechsels vom Darm zur Leber findet nach einer Mahlzeit statt. Da auch nach der Lipidverdauung eine Versorgung des Körpers mit Triglyceriden sichergestellt sein muss, initiiert die Leber den endogenen Lipoproteinstoffwechsel, indem sie wie der Darm Trigylceride und Cholesterin in Transportkugeln aus Phospholipiden verpackt, die VLDL (engl. very low density lipoprotein, „Lipoprotein mit sehr geringer Dichte“) genannt werden. Ihnen entnehmen Muskel- und Fettgewebe genau wie bei den Chylomikronen die Triglyceride, sodass cholesterinreiche LDL (engl. low density lipoprotein, „Lipoprotein mit geringer Dichte“) verbleiben. Diese stellen die Versorgung der Körperzellen mit Cholesterin sicher, indem sie bei Bedarf von den entsprechenden Zellen aufgenommen werden. Nicht aufgenommene LDL gelangt wieder in die Leber.
Cholesterin kann von allen Körperzellen produziert, aber nur von der Leber abgebaut werden. Kommt es daher irgendwo im Körper zu einem Cholesterin-Überschuss, muss das Cholesterin zur Leber zurücktransportiert werden. Dies geschieht ebenfalls über ein Lipoprotein, die HDL (engl. high density lipoprotein, „Lipoprotein mit hoher Dichte“). Der Abbau in der Leber entspricht eher einem Umbau des Moleküls, denn als Endprodukt entstehen Gallensäuren. Da diese wie beschrieben im Darm die Aufnahme neuer Lipide vermitteln, verlässt ein Großteil des als Gallensäure in den Darm ausgeschiedenen Cholesterins den Körper nicht, sondern wird wieder aufgenommen.
Pflanzen verwenden für die Stabilisierung ihrer Zellmembranen statt Cholesterin sogenannte Pflanzensterole, die dem Cholesterin chemisch ähneln, vom menschlichen Körper aber nicht verstoffwechselt werden. Daher existiert in Darmzellen ein Mechanismus, der aufgenommene Pflanzensterole sehr effektiv wieder in den Darm zurücktransportiert. Um sicherzustellen, dass kein dem Cholesterin so ähnlich sehendes Pflanzensterol-Molekül „übersehen“ wird, wird im Zweifelsfall eher auch ein Cholesterinmolekül wieder ausgeschieden. Dieser Mechanismus führt dazu, dass eine pflanzensterolreiche Diät aktiv den Cholesterinspiegel senken kann, da sie die Cholesterinaufnahme reduziert. Ein unnatürlich zu hoher Pflanzensterolgehalt kann jedoch den Schutzmechanismus der Darmzellen überlasten und ist daher gesundheitsschädlich.
Hohe LDL-Spiegel im Blut übersteigen den Cholesterinbedarf der Körperzellen erheblich, sodass ein großer Teil der LDL nicht in Körperzellen aufgenommen wird, sondern im Blut altert und dabei oxidiert. In dieser Form lagert sie sich in den Blutgefäßen ab und droht, diese zu verstopfen. Fresszellen des Immunsystems erkennen LDL-Ablagerungen als Fremdkörper und nehmen sie auf. Aber auch die Fresszellen sind auf HDL angewiesen, um die zum Teil sehr großen Mengen an aufgenommenem Cholesterin zur Leber zu transportieren. Passiert dies nicht schnell genug, gehen die Fresszellen an der Gefäßwand zugrunde und tragen zur Bildung eines atherosklerotischen Plaques bei. Dieser bleibt zunächst meist stabil und überwiegend asymptomatisch. Löst sich jedoch ein Teil davon ab, kommt es an dieser Stelle aufgrund der vermeintlichen Verletzung zur Blutgerinnung, die das Gefäß verstopft. Geschieht dies in einem Herzkranzgefäß, löst dies einen akuten Herzinfarkt aus, im Gehirn ist ein Schlaganfall die Folge, und die Verengung anderer Blutgefäße führt zu Symptomen einer peripheren Verschlusskrankheit.
Hungert der Mensch, ist das größte Problem des Stoffwechsels nicht die Gefahr eines Energiemangels, denn Energie ist in den Fettspeichern in der Regel ausreichend vorhanden. Das Problem ist vielmehr die Versorgung mit Kohlenhydraten in Form von Glucose, denn der allgemein nutzbare Kohlenhydratspeicher, das Glycogen in der Leber, ist nach etwa einem Tag des Fastens verbraucht, und der menschliche Stoffwechsel ist wie der aller Tiere nicht in der Lage, Fettsäuren in Kohlenhydrate umzuwandeln. Er beginnt daher mit dem Proteinabbau, um durch die Umwandlung der dadurch freigesetzten, glucogenen Aminosäuren Glucose zu gewinnen (➙„Aminosäurestoffwechsel“). Parallel dazu erfolgt nach ungefähr drei Fastentagen eine dramatische Stoffwechselumstellung mit dem Ziel, den Glucoseverbrauch zu minimieren. Danach findet außer in einem kleinen Teil des Gehirns praktisch kein Nettoverbrauch an Glucose mehr statt. Stattdessen beziehen die Organe, die zuvor Glucose genutzt haben, ihre Energie nun aus sogenannten „Ketonkörpern“, die jetzt in großer Menge von der Leber hauptsächlich aus Fettsäuren produziert werden. So ist ein längerfristiges Überleben möglich, da die Glucosereserven bzw. die wenigen Substanzen, aus denen Glucose hergestellt werden kann, maximal geschont werden.
Bei nicht oder unzureichend behandelten Diabetikern kommt es ebenfalls zu einer Umstellung des Stoffwechsels hin zum Hungerstoffwechsel, obwohl gar nicht gefastet wird. Dies liegt daran, dass Insulin, das Hormon, das nach dem Essen ausgeschüttet wird, nicht mehr wirkt und der Körper dadurch nicht „merkt“, dass etwas gegessen wurde. Die beginnende Glucoseproduktion aus dem Abbau von Proteinen führt dann dazu, dass auch die Ketonkörper produziert werden. Diese lassen sich diagnostisch beispielsweise mit Teststreifen im Urin nachweisen oder in der Ausatemluft, die beginnt, aufgrund eines Abbauproduktes der Ketonkörper süßlich-fruchtig bis lösungsmittelartig zu riechen.
Diäten mit extrem niedrigem Kohlenhydratanteil führen zu einem ähnlichen Effekt. Es wird zwar durch den Fettgehalt eine mehr oder weniger normale Energiemenge aufgenommen, aber die bei einer normalen Essenszusammensetzung aufgrund der Glucose liefernden Kohlenhydrate erfolgende Insulinantwort der Bauchspeicheldrüse bleibt aus, sodass dieses Signal, dass etwas gegessen wurde, fehlt. Eine Folge ist die Steigerung des Triglyceridabbaus im Fettgewebe. Zudem führt die zu geringe Kohlenhydrataufnahme dazu, dass Glucose vom Körper selber hergestellt werden muss, und das führt letztlich wiederum zur Produktion der Ketonkörper, weswegen diese Diäten als „ketogene“ Diäten oder „Low Carb“ (wenige Kohlenhydrate) bezeichnet werden.
Im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Makronährstoffen, die der Körper im Wesentlichen zur Energiegewinnung und als Ausgangssubstanz für den Aufbau eigener Körperstrukturen benötigt, werden Mikronährstoffe in sehr viel geringerer Menge benötigt. Man unterscheidet drei Hauptgruppen: Spurenelemente wie Eisen, Zink, Selen und andere sind chemische Elemente, also in der Regel Einzelatome, die nicht in Form komplizierterer Verbindungen vorliegen. Vitamine sind organische Verbindungen, die der menschliche Körper nicht selbst herstellen kann und daher mit der Nahrung aufnehmen muss, aber nur in geringen Mengen benötigt. Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe sind organische Verbindungen, die von Pflanzen außerhalb von deren Primärstoffwechsel (Energiestoffwechsel und grundlegender Gewebeaufbau) für verschiedenste Zwecke hergestellt werden; viele von ihnen haben im menschlichen Körper eine physiologische Wirkung.
Im Folgenden werden beispielhaft Stoffwechselaspekte einiger Spurenelemente aufgeführt:
Eisen kommt in zwei unterschiedlichen, für die Ernährung relevanten Formen vor: als zweiwertiges und als dreiwertiges Eisen. Die Aufnahme erfolgt im Darm auf unterschiedlichen Wegen, die unterschiedlich effizient sind. Am besten wird zweiwertiges, sogenanntes Häm-Eisen aufgenommen, das in tierischen Produkten vorkommt und dort die größte Eisenmenge darstellt. Es handelt sich um das Eisen, das wie beim Menschen Teil des Hämoglobins der roten Blutkörperchen ist oder in ähnlicher Form im Muskelgewebe vorkommt. Da das menschliche Genom den Bauplan für einen speziellen Transportmechanismus für diese Eisenform enthält und dieser Eisenaufnahmeweg der effizienteste ist, kann man davon ausgehen, dass der Mensch evolutiv nicht als Vegetarier ausgelegt ist und dass es auch keine Entwicklungsphase des Menschen gegeben hat, in der er sich ausschließlich vegetarisch ernährt hat (vieles weist allerdings darauf hin, dass der Fleischanteil in der modernen menschlichen Ernährung heute in vielen Regionen der Welt sehr viel höher ist als in der evolutiven Vergangenheit). Pflanzliches, dreiwertiges Eisen kann nur sehr viel schlechter aufgenommen werden. Dies wird jedoch durch die gleichzeitige Aufnahme von Vitamin C verbessert, das dreiwertiges in zweiwertiges Eisen umwandeln kann. Gleichzeitig enthält pflanzliche Nahrung jedoch zum Teil größere Mengen an Substanzen, die Eisen binden und dadurch die Aufnahme im Darm blockieren. Dies gilt auch für Milch, in der die biologisch verfügbare Eisenmenge auf diese Weise reduziert wird – dadurch fehlt dieses Spurenelement auch den Bakterien, die es zum Wachstum ebenfalls benötigen und sich sonst in Milch sehr viel schneller vermehren würden. Den gleichen Zusammenhang macht sich der menschliche Körper zunutze, indem er bei Infektionen die Eisenaufnahme aus der Nahrung und die im Blut verfügbare Eisenmenge deutlich reduziert.
Die Eisenaufnahme in den Körper ist ohnehin sehr streng reguliert, sodass auch bei einer überhöhten Eisenzufuhr keine Probleme zu erwarten sind (außer im Falle einiger, meist genetischer Erkrankungen, bei denen die Kontrolle der Eisenaufnahme gestört ist). Der Grund für diesen restriktiven Aufnahmemechanismus ist, dass es praktisch keine Möglichkeit gibt, überschüssiges Eisen auszuscheiden.
Calcium ist als wichtige Substanz für den Knochenaufbau gut bekannt und wird daher häufig als Nahrungsergänzungsmittel in Form von Calciumtabletten eingenommen. Vor einiger Zeit wurden dazu zwei medizinisch interessante Beobachtungen gemacht: Wird ein großer Teil der Tagesdosis an Calcium in einer Tablette eingenommen, geht, sobald diese Menge im Darm ankommt, die gesamte Menge, die sich sonst über einen gesamten Tag verteilt, erwartungsgemäß innerhalb kurzer Zeit ins Blut über. Die Calciumkonzentration im Blut erhöht sich dadurch kurzfristig unnatürlich stark, sodass das Risiko von Kalkablagerungen steigt. Dies gilt insbesondere, wenn die Einnahme nicht im Zusammenhang mit einer Mahlzeit steht, die die Calciumaufnahme etwas verzögern bzw. verlängern würde. Ein anderer Aspekt sind die mittlerweile von sehr vielen Menschen z. B. aufgrund von Stressreaktionen des Magens eingenommenen Säureblocker, die die Menge der Magensäure stark reduzieren, um die Magenschleimhäute und die Speiseröhre zu schonen. Die mangelnde Magensäure führt jedoch dazu, dass aus chemischen Gründen das Calcium aus einigen Calciumpräparaten nicht mehr aufgenommen werden kann und es als Folge trotz Nahrungsergänzung zu einem Calciummangel kommen kann.
Vitamine werden in zwei große Gruppen unterteilt, die fettlöslichen Vitamine E, D, K und A sowie die übrigen, wasserlöslichen Vitamine, die im Falle einer übermäßigen Aufnahme daher im Gegensatz zu den fettlöslichen Vitaminen relativ leicht wieder ausgeschwemmt werden können. Im Folgenden werden beispielhaft Aspekte ausgewählter Vitamine dargestellt:
Oxidativer Stress, ausgelöst neben Rauchen und anderen äußeren Faktoren durch freie Radikale, meist Sauerstoffradikale (ROS), die im Rahmen des Energiestoffwechsels entstehen, kann die Zelle schädigen. Da Radikalquellen im Stoffwechsel den Menschen bereits durch seine gesamte Evolution begleiten, gibt es verschiedene Schutzmechanismen.
Lipidmembranen gehören zu den Strukturen einer Zelle, die besonders anfällig für oxidative Schädigungen sind. Da die aus Fetten bestehenden Membranen kein Wasser enthalten, kommt hier das fettlösliche Vitamin E als Radikalfänger zum Einsatz. Hat es ein Radikal abgefangen, muss es jedoch regeneriert werden, um nicht selbst Schäden hervorzurufen, und dies geschieht durch das wasserlösliche Vitamin C (das darüber hinaus auch noch andere Funktionen hat, wie die Stabilisierung des Bindegewebes). Studien haben gezeigt, wie wichtig deshalb ein ausgewogenes Verhältnis beider Vitamine ist, denn eine ausschließliche Aufnahme von Vitamin E kann ohne Vitamin C den oxidativen Stress sogar verstärken.
Vitamin D ist streng genommen gar kein Vitamin, da man seit geraumer Zeit weiß, dass der menschliche Körper es selbst herstellen kann, nämlich aus Cholesterin, aber nur mithilfe von Sonnenlicht. Bereits lange bekannt und genutzt ist die Rolle von Vitamin D im Calciumhaushalt des Körpers mit seinen Konsequenzen für die Knochenstabilität sowohl bei Kindern als auch bei älteren Menschen. Seit einiger Zeit verdichten sich jedoch die Hinweise u. a. auf Wirkungen im Bereich des Immunsystems zum Beispiel mit Blick auf Infektresistenz und Allergien. Während Vitamin D die Infektresistenz zu verbessern scheint, sind die Studienergebnisse zur Allergien noch widersprüchlich und nicht schlüssig erklärbar.
Die Aufnahme von Vitamin D durch die Nahrung spielt normalerweise eine untergeordnete Rolle. Viele tierische Produkte enthalten kleinere Mengen (Margarine wird oft mit Vitamin D angereichert), aber größere Mengen sind – abgesehen vom klassischen Lebertran – nur in fettem Fisch enthalten. Die Eigenproduktion ist daher für eine ausreichende Versorgung sehr relevant, aber in der Praxis mit einigen Problemen verbunden: Aus dem Sonnenlicht wird ein spezieller Anteil benötigt, der im ultravioletten Bereich liegt, der für das menschliche Auge unsichtbar ist. Daher können wir nicht wahrnehmen, dass dieser Lichtanteil von der Erdatmosphäre reflektiert wird und uns gar nicht erreicht, wenn die Sonne niedriger steht als etwa 40°. Der erforderliche, höhere Sonnenstand wird in unseren Breiten überhaupt nur zwischen Ende März und Ende September erreicht, im Winterhalbjahr ist die Produktion von Vitamin D daher nicht möglich. Auch im Sommerhalbjahr wird ein ausreichend hoher Sonnenstand nur um die Mittagszeit herum erreicht – je weiter das Datum von der Sommersonnenwende Ende Juni entfernt ist, desto kürzer ist die Zeitspanne. (Ist der eigene Schatten auf einer geraden Fläche kürzer als die eigene Körpergröße, steht die Sonne höher als 45° und Vitamin D kann gebildet werden.) Abgesehen vom typischen Lebensstil, der sich meist mehr drinnen statt draußen abspielt, wird die Mittagszeit wegen der höheren Sonnenbrandgefahr oft gemieden, und es ist seit einigen Jahren Sonnenschutz mit sehr hohen Lichtschutzfaktoren üblich. Bereits ab Lichtschutzfaktor 10 können jedoch keine relevanten Mengen an Vitamin D mehr produziert werden. Ein vorteilhafter Aspekt ist jedoch, dass bereits eine Sonnenexposition von zwei oder drei Minuten am Tag zu einer erheblichen Vitamin-D-Produktion führt, und davon ausgegangen wird, dass diese kurze Zeit noch nicht zu einem relevanten Risiko für Hautschädigungen führt.
Pflanzen stellen eine große Vielfalt an chemischen Verbindungen her, zum Beispiel um sich vor Schädlingsfraß, Pilzbefall oder zu intensiver Sonneneinstrahlung zu schützen, um sich gegenseitig zu warnen, im Wurzel- oder Luftraum Konkurrenten zu unterdrücken, Pflanzenteile zu färben und vieles Anderes mehr. Einige dieser Substanzen führen dazu, dass bestimmte Pflanzen oder Pflanzenteile für den Menschen giftig sind, andere verwendet der menschliche Organismus zu seinem Vorteil. Eine häufige Wirkung ist der Schutz vor oxidativem Stress, zum Beispiel bei den Flavonoiden, die unter anderem in Früchten aber auch sehr vielen krautigen Pflanzen und verschiedenen Blüten enthalten sind. Andere Beispiele sind das bekannte Koffein (Tein aus schwarzem Tee ist chemisch identisch; Theobromin aus Kakao ist eine strukturell ähnliche Verbindung) mit seinen verschiedensten Wirkungen oder die Aminosäure Alliin aus den Zwiebelverwandten, die als Hauptwirk- und Aromastoff in Knoblauch geläufig ist. Einige dieser Substanzen sind recht gut erforscht, über viele andere ist noch wenig bekannt.
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