Nährstoffe: Proteine, Fette und Kohlenhydrate

Nährstoffe: Proteine, Fette und Kohlenhydrate

 

Als Nährstoffe werden die drei energiereichen Stoffgruppen der Proteine, Fette und Kohlenhydrate in der Nahrung bezeichnet. Die erste Stoffgruppe der Proteine macht einen erheblichen Teil unseres eigenen Körpers aus. In der Nahrung stammen sie zur Hälfte aus Fleisch und anderen tierischen Produkten, während die Kohlenhydrate (Stärke, Zucker, Glykogen) hauptsächlich aus pflanzlicher Nahrung stammen. Für die Energieversorgung können Kohlenhydrate und Fette durch einen biochemischen Umbau im Körper einander ersetzen, doch muss der Körper dafür einen gewissen Energieverlust in Kauf nehmen. Der Kohlenhydratanteil der Nahrung darf nicht unter 10 Prozent fallen, da sonst Stoffwechselstörungen auftreten. Fett hingegen ist — wenn für die Zufuhr fettlöslicher Vitamine und essentieller Fettsäuren gesorgt ist — völlig entbehrlich. Die Proteine können ebenfalls zur Energiebereitstellung dienen. Die Ernährung soll jedoch nicht lediglich den Energiebedarf decken. Vielmehr ist der physiologische Wert von Nahrungsquellen und ihrem Substanzgehalt nach verschiedenen Kriterien zu unterteilen.

 

Neben dem Energiegehalt, dem kalorischen Wert (Brennwert) der Nahrung, ist der Gehalt an vom Körper nicht synthetisierbaren, essentiellen Substanzen wichtig, beispielsweise der von Vitaminen. Ein dritter, erheblicher Gesichtspunkt für den Wert der Nahrung sind die darin enthaltenen Wirkstoffe, wie die Spurenelemente. Besonders wichtig sind hier Calcium, Eisen und Jod. Andere Spurenelemente sind ebenfalls lebensnotwendig, werden in der Regel aber in ausreichender Menge mit der Nahrung aufgenommen. Weiterhin für den Körper notwendig sind die Mineralstoffe Kalium und Natrium. Schließlich sind noch die Verdaulichkeit und der physiologische Nutzungsgrad von Bedeutung.

 

 Proteine, universelle Bausteine des Körpers

 

Die Proteine bestehen aus Aminosäuren, die zu unterschiedlich langen Ketten verbunden (polymerisiert) sind. Im menschlichen Körper wie in allen anderen Organismen gibt es 20 verschiedene Aminosäuren als Bausteine von Peptiden und Proteinen. Hierbei klassifiziert man Oligopeptide mit bis zu 10 Aminosäuren und Polypeptide mit einer Kette von mehr als 10 Aminosäuren. Sind mehr als 100 Aminosäuren polymerisiert, bezeichnet man das Molekül als Protein. Die Hälfte der Aminosäuren kann der Organismus selbst synthetisieren; die übrigen 10 aber muss der Mensch für den Aufbau körpereigener Proteine mit der Nahrung aufnehmen. Diese Notwendigkeit drückt sich in der Bezeichnung essentielle Aminosäuren aus.

 

Alle Aminosäuren dienen nicht nur als Kettenglieder zum Aufbau unzähliger Proteine, sondern auch zur Synthese von Neurotransmittern, den Schaltsubstanzen der Nervenzellen, zum Beispiel Acetylcholin und Noradrenalin. Ferner benötigt sie der Körper zur Synthese von Glykoproteinen, bei denen Zuckermoleküle mit den Aminosäuren verbunden sind. Glykoproteine gehören zum Beispiel zu den wichtigsten Grundsubstanzen aller Knorpelgewebe des Körpers.

 

 Kohlenhydrate, die »schnelle Energie«

 

Die Kohlenhydrate sind Hydrate des Kohlenstoffs. Sie haben mit 17,2 kJ/g (Kilojoule pro Gramm) den gleichen Brennwert, also den gleichen Energiegehalt für den Körper, wie die Proteine. Kohlenhydrate liegen in einfacher Form als Monosaccharide vor, als Disaccharide, das heißt als Doppelmolekül aus zwei Einfachzuckern, oder als Polysaccharide, einem Polymerisat aus vielen solchen Einheiten. Der im Haushalt übliche »Zucker« (Saccharose) ist ein Disaccharid aus einem Glucose- und einem Fructosemolekül. Ein weiteres wichtiges Disaccharid ist die Lactose in der Muttermilch, die aus je einem Anteil Galactose und Glucose besteht. Disaccharide vereinigen eine gute Löslichkeit im Wasser der Körperflüssigkeiten mit günstigen osmotischen Eigenschaften, die im Vergleich mit Monosacchariden nur den halben Wert betragen.

 

Als Nahrungsquelle dient vor allem das besonders in Kartoffeln, Getreide und Reis enthaltene Polysaccharid Stärke, das eine der wichtigsten, wenn nicht die wichtigste Energiequelle der Menschheit ist. Stärke und alle übrigen Kohlenhydrate werden entweder direkt zur Energienutzung verbrannt oder als Reserveenergie in der Leber in Form von Glykogen gespeichert. Neben ihrer Energie liefernden Funktion werden sie aber auch, nach biochemischem Umbau im Körper, zum Beispiel als Desoxyzucker, für die Synthese von Nucleinsäuren, die Träger der genetischen Information sind, benötigt.

 

Auch Cellulose, der Hauptbestandteil der Zellwände aller Pflanzen, ist ein Polysaccharid. Um die pflanzliche Nahrung zu erschließen, muss der Mensch die Zellen mechanisch, zum Beispiel durch gutes Kauen, öffnen. Auch beim Garen von Gemüsen durch das Kochen werden die Zellverbände gelockert, was die Erschließung erleichtert. Die Energie der Cellulose selbst ist für den Menschen jedoch nicht nutzbar, da er nicht über das für die Aufspaltung der Cellulose nötige Enzym Cellulase verfügt. Obwohl Kost ohne Ballaststoffe oft symptomlos vertragen wird, wirken sich unverdauliche pflanzliche Gewebepartikel günstig aus, da sie besonders bei hartem Stuhl einer Verstopfung entgegenwirken. An Pflanzenfasern reiche Kost wirkt fördernd auf die Darmmotorik (Peristaltik). Daher wird eine Mindestmenge von gut 30 Gramm pro Tag an Ballaststoffen empfohlen.

 

 Brennstoff aus eigener Herstellung

 

Bei kohlenhydratarmer Nahrung oder Hunger können Kohlenhydrate in der Gluconeogenese vom Körper selbst aus Proteinen synthetisiert werden. Das ist schon deshalb zwingend notwendig, weil das Gehirn seine Energie nur aus der Verbrennung von Glucose (Traubenzucker) bezieht. Es darf daher nicht nur von der relativ unsicheren Versorgung mit Kohlenhydraten durch die Nahrung abhängig sein. Die Bereitstellung von Glucose aus dem Glykogenspeicher der Leber und durch die Gluconeogenese sind überlebenswichtige Mechanismen der Energieversorgung des Gehirns. Ganz ähnlich wie das Gehirn sind die roten Blutkörperchen (Erythrozyten) von Glucose als einzigem Energiespender abhängig.

 

Der Glykogenspeicher in der Leber arbeitet auch für alle übrigen Organe. Bei lang dauernden Extrembelastungen kann er bis zur Erschöpfung leer gebrannt werden. So reicht er beim Marathonlauf in vielen Fällen etwa bis Kilometer 35. Danach muss der Körper auf den Lipidstoffwechsel (Fettstoffwechsel) umstellen; für ausreichend Glucose zur Versorgung des Zentralnervensystems und der roten Blutkörperchen hat die Natur beim gesunden Läufer jedoch gesorgt. Jedenfalls ist es für einen Marathonläufer vorteilhaft, am Abend vor dem Lauf ihren Glykogenspeicher durch eine Extraration Kohlenhydrate, beispielsweise mit einer großen Portion Spaghetti, randvoll aufzufüllen.

 

Für die biologischen Funktionen der verschiedenen Kohlenhydrate ist ihre unterschiedliche Wasserlöslichkeit wichtig. Die Einfachzucker und Oligosaccharide mit bis zu zwölf Monosaccharidbausteinen sind wasserlöslich; Stärke ebenso wie Glykogen ist nur kolloidal löslich, das heißt, sie bildet keine dünnflüssige, wässrige Lösung, sondern eine, die eher einem Tischlerleim ähnelt. Daher kann sie als Speicherstoff dienen, denn in wässrig dünner Lösung würde sie davonschwimmen. Vor allem aber ist sie osmotisch praktisch unwirksam: Ohne die Fixierung in der Kette des Speicherglykogens hätte der Körper einen untragbar hohen Blutzuckerspiegel mit viel zu vielen kleinen Zuckermolekülen, die zum Zusammenbruch des Wasserhaushalts im Körper führen würden; in der Kette in kolloidaler Lösung ist diese Gefahr gebannt. Völlig wasserunlöslich ist die Cellulose, die auch unverdaulich ist und deren Energiegehalt vom menschlichen Körper im Gegensatz zum Gorilla oder zu den Huftieren nicht genutzt werden kann.

 

 Die Fette

 

Die Fette sind mit einem mehr als doppelt so hohen biologischen Brennwert (38,9 kJ/g) wie Kohlenhydrate oder Proteine eine konzentriertere und gewichtssparende Depotmöglichkeit großer Energiemengen. Die rund 15 Kilogramm Fett im normalgewichtigen Körper benötigen im stark wasserhaltigen Gewebe gut 17 Liter Raum. Würde der Körper dieselbe Energiemenge in Form von Glykogen speichern, benötigte er hierfür etwa 34 Kilogramm Glykogen; hinzu kämen aber pro Gramm Glykogen noch fast 10 Milliliter Lösungswasser, also rund 330 Liter. Statt 17 Liter Speichervolumen wären beim Kohlenhydratspeicher also rund 360 Liter Körpervolumen nur für diesen Zweck notwendig.

 

Chemisch betrachtet sind Fette die Fettsäureester des Glycerins. Es gibt Mono-, Di- und Triglyceride, wobei bei Letzteren drei Fettsäuren mit dem Glycerin verestert sind. Fast alles Depotfett im Körper liegt in Form von Triglyceriden vor. Die Fettsäuren bestehen meist aus einer geraden Anzahl von meist 16 oder 18 Kohlenstoffatomen, die kettenförmig verknüpft sind. Bei den gesättigten Fettsäuren sind die C-Atome durch Einfachbindungen verknüpft. Sie dienen vornehmlich als Bestandteile des Speicherfettes; ihre Hauptvertreter sind Palmitinsäure, benannt nach ihrem Vorkommen unter anderem im Kokosfett, Stearinsäure und Oleinsäure.

 

Ungesättigte Fettsäuren haben eine oder mehrere Doppelbindungen zwischen benachbarten C-Atomen. Bei den mehrfach ungesättigten Fettsäuren sind die Doppelbindungen nicht konjugiert, das heißt, sie wechseln sich nicht mit Einfachbindungen ab, sondern liegen weiter auseinander. Solche mehrfach ungesättigten Fettsäuren kann der Körper selbst nicht synthetisieren; es sind die wichtigen essentiellen Fettsäuren. Die beiden wichtigsten sind Linolsäure (C-18, 2-fach ungesättigt) und Linolensäure (C-18, 3-fach ungesättigt). Sie kommen vornehmlich in Pflanzenfetten vor, beispielsweise in Nüssen, in Margarine und, wie die Namen andeuten, im Leinöl.

 

Vor allem diese essentiellen Fettsäuren dienen weniger dem Energiestoffwechsel, sondern in der Hauptsache dem Baustoffwechsel zur Synthese von Lipiden, aus denen die biologischen Membranen aufgebaut sind. Zu ihnen zählen die Phosphoglyceride, die Sphingolipide und das Cholesterin. Aus Cholesterin werden die Steroidhormone (Corticoide, männliche und weibliche Geschlechtshormone) und das für den Knochenaufbau so wichtige Vitamin D gebildet. Auch die Gallensäuren werden zu den Lipiden gezählt. Allen Lipiden gemeinsam ist ihre Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln und ihr hydrophobes (Wasser abstoßendes) Wesen.

 

 Cholesterin

 

Pro Tag wird in der Leber etwa 1 g Cholesterin synthetisiert. Da in pflanzlicher Nahrung kein Cholesterin enthalten ist, wird diese Substanz ansonsten ausschließlich mit tierischen Produkten aufgenommen, und zwar meist weniger als ein Gramm pro Tag. Exzessive Cholesterinaufnahme mit der Nahrung ist wegen der beschränkten Kapazität des Darmes zur Resorption kaum möglich. Außerdem besteht eine Rückkopplung, sodass bei ausreichender Cholesterinzufuhr mit der Nahrung in der Leber weniger körpereigenes gebildet wird. Jedoch ist eine erhöhte Cholesterinzufuhr in begrenztem Maße mit fettem Fleisch (gesättigte Fettsäuren) und insbesondere mit Eigelb möglich, während ungesättigte Fettsäuren zu einer Senkung des Cholesterinspiegels im Blut führen. Ein erhöhter Spiegel (Hypercholesterinämie) ist also meist die Folge einer Kombination nahrungs- und stoffwechselbedingter Faktoren. Sie wird mit der Bildung von Atherosklerose (umgangssprachlich auch Arteriosklerose) in Zusammenhang gebracht, da in solchen Verkalkungszentren, den Atheromen, besonders viel Cholesterinkristalle gefunden werden.

 

Auch andere gefäßbedingte lebensbedrohliche Ereignisse korrelieren mit einem hohem Blutspiegel des Cholesterins in der Vorgeschichte, so der Schlaganfall und der Herzinfarkt. Während ein gewisses Risiko bei Hypercholesterinämie besteht, wird eine Gefährdung durch Cholesterin in der Nahrung meist wohl überschätzt: Eine maßvolle Einnahme von fettem Fleisch und Eiern (speziell Eigelb) und die Beachtung eines guten Anteils pflanzlicher Kost (auch zur Zufuhr von Ballaststoffen) sind für die Verhinderung eines Cholesterinrisikos ausreichend.

 

Prof. Dr. Carsten Niemitz, Berlin

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Verdauung: Aufschließen und Bereitstellen

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Ernährung des Menschen

 

Literatur:

 

Stryer, Lubert: Biochemie. Aus dem Englischen. Heidelberg u. a. ⁴1996.

 Glenk, Wilhelm / Neu, Sven: Enzyme. München ⁶1994.

 

Lehrbuch der Physiologie, herausgegeben von Rainer Klinke und Stefan Silbernagl. Stuttgart u. a. ²1996.

 Müller, Werner A.: Tier- und Humanphysiologie. Berlin u. a. 1998.