21 - ernährung

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21 21 Ernährung Hannelore Daniel, Uwe Wenzel 21.1 Energiebilanz – 632 21.1.1 Grundlagen der Energiebilanz des Körpers – 632 21.1.2 Physiologische Verbrennung der Makronährstoffe – 633 21.1.3 Energieverbrauch und Energiebedarf – 635 21.1.4 Experimentelle Ermittlung des Energieumsatzes – 636 21.2 Der Ernährungszustand – 638 21.3 Veränderungen der Energiebilanz – 639 21.3.1 Ausgeglichene Energiebilanz auf niedrigem Niveau (Kalorienrestriktion) 639 21.3.2 Positive Energiebilanz – 639 21.3.3 Negative Energiebilanz – 640 21.4 Kontrollmechanismen der Nahrungsaufnahme, Energie- und Nährstoffzufuhr – 642 21.5 Die Stoffwechselbedeutung einzelner Nährstoffe und ihre Beteiligung an der Homöostase – 644 21.5.1 Aminosäuren und Proteine – 644 21.5.2 Kohlenhydrate – 646 21.5.3 Lipide – 647 21.5.4 Alkohol – 649 21.5.5 Ballaststoffe – 651 21.6 Besondere Ernährungserfordernisse – 652 21.6.1 Ernährung in speziellen Lebenssituationen – 652 21.6.2 Klinische Ernährung – 652 21.6.3 Alternative Ernährungsformen – 654 Literatur – 654

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2121 ErnhrungHannelore Daniel, Uwe Wenzel

21.121.1.1 21.1.2 21.1.3 21.1.4

Energiebilanz 632Grundlagen der Energiebilanz des Krpers 632 Physiologische Verbrennung der Makronhrstoffe 633 Energieverbrauch und Energiebedarf 635 Experimentelle Ermittlung des Energieumsatzes 636

21.2 21.321.3.1 21.3.2 21.3.3

Der Ernhrungszustand 638 Vernderungen der Energiebilanz 639Ausgeglichene Energiebilanz auf niedrigem Niveau (Kalorienrestriktion) 639 Positive Energiebilanz 639 Negative Energiebilanz 640

21.4

Kontrollmechanismen der Nahrungsaufnahme, Energie- und Nhrstoffzufuhr 642 Die Stoffwechselbedeutung einzelner Nhrstoffe und ihre Beteiligung an der Homostase 644Aminosuren und Proteine Kohlenhydrate 646 Lipide 647 Alkohol 649 Ballaststoffe 651 644

21.521.5.1 21.5.2 21.5.3 21.5.4 21.5.5

21.621.6.1 21.6.2 21.6.3

Besondere Ernhrungserfordernisse 652Ernhrung in speziellen Lebenssituationen Klinische Ernhrung 652 Alternative Ernhrungsformen 654 652

Literatur

654

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Kapitel 21 Ernhrung

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> > Einleitung Ernhrung beschreibt die fr das Wachstum, die Reproduktion sowie die Aufrechterhaltung aller Krperfunktionen und der Gesundheit notwendige Aufnahme und Verwertung von Nahrung durch den Organismus. Um dies zu gewhrleisten, mssen Wasser, Kohlenhydrate, Proteine oder Aminosuren, Lipide, Vitamine, Mineralstoffe und Spurenelemente mit Lebensmitteln und Getrnken zugefhrt werden. Aufgrund der im Vergleich zu Vitaminen und Mineralstoffen erforderlichen hohen Zufuhr an Kohlenhydraten, Proteinen und Fetten werden diese als Makronhrstoffe oder Hauptnhrstoffe bezeichnet. Whrend Kohlenhydrate und Lipide vor allem als Energielieferanten dienen, knnen Proteine bzw. Aminosuren zwar auch energetisch verwertet werden, besitzen jedoch im menschlichen Krper vor allem eine Bedeutung als strukturelle und funktionelle Komponenten. Das Stoffwechselgeschehen ist Ausdruck einer bestndigen Anpassung an variable Ernhrungsbedingungen und beinhaltet alle Prinzipien der biologischen Regulation. Nicht nur die Aufnahme von Nahrung als solche sowie Menge und Verhltnis der Energie liefernden Makronhrstoffe, sondern auch diverse Vitamine und Spurenelemente beeinflussen Genexpression und Biosynthese von Proteinen und deren katalytische oder strukturelle Funktionen. Ernhrung umfasst somit die Bedeutung der Nhrstoffe als Energietrger, ihre spezifische Rolle fr Syntheseleistungen des Organismus und ihre Funktion bei der Kontrolle des Stoffwechselgeschehens.

21.1 21.1.1

EnergiebilanzGrundlagen der Energiebilanz des Krpers

! Im menschlichen Organismus wird Energie fr mechanische, chemische, osmotische und elektrische Arbeit bentigt.

Zur Aufrechterhaltung der biologischen Arbeitsleistungen werden bevorzugt Kohlenhydrate und Fettsuren im Zellstoffwechsel unter ATP-Bildung oxidiert. Teile der ber die Nahrung zugefhrten Energie werden in Form von Glycogen in Leber und Muskel und als Fettsuren in den Triacylglycerinen des Fettgewebes gespeichert. In Phasen der Nahrungskarenz knnen diese Energiereservoirs genutzt werden. Beim Erwachsenen ist fr die Aufrechterhaltung eines konstanten Krpergewichts das Gleichgewicht zwischen Energieaufnahme und Energieverbrauch eine notwendige Voraussetzung. Ist die Energieaufnahme langfristig hher als der Energieverbrauch, so wird die berschssige Energie in Form von Triacylglycerinen im Fettgewebe gespeichert (7 Kap. 21.3.2). Dies fhrt in Abhngigkeit von der Hhe des Energieberschusses und der Dauer einer positiven Energiebilanz zu bergewicht und Adipositas (Fettsucht). Ist die Energieaufnahme langfristig geringer als der Energieverbrauch, so kommt es zum fortschreitenden Gewichtsverlust, der in schweren Fllen zur Protein-Energie-Malnutrition fhrt (7 Kap. 21.3.3).! Die Energiebilanz des Organismus ist die Summe aller Energie verbrauchenden und Energie erzeugenden Reaktionen, die in individuellen Zellen und Organsystemen ablaufen.

Der berwiegende Teil der durch biologische Oxidationsprozesse gewonnenen Energie wird in die Form energiereicher Phosphate berfhrt. Dies ist neben Adenosintriphosphat (ATP) als wichtigstem Energietrger des Zell-

stoffwechsels vor allem Kreatinphosphat, das durch die Kreatinkinase aus ATP und Kreatin gebildet wird und somit eine Speicherform von ATP darstellt. Ein Teil der aus der Substratoxidation hervorgegangenen Energie wird nicht in die Synthese von ATP eingeleitet, sondern in Form von Wrme abgegeben. Dieser Prozess dient vornehmlich der Aufrechterhaltung der Krpertemperatur. Die Umwandlung der in Nahrungsmitteln enthaltenen chemischen Energie in ATP und Wrme wird als Energieumsatz bezeichnet (. Abb. 21.1). Die Wrmeproduktion im Zellstoffwechsel hat eine essentielle, eine obligatorische und eine regulatorische Komponente. Die essentielle Wrmeproduktion ist eine Konsequenz des Verbrauchs und der Resynthese von ATP und erfolgt damit innerhalb anaboler und kataboler Zyklen, die u.a. fr die Erneuerung von Geweben notwendig sind. Die obligatorische Wrmeproduktion resultiert vor allem aus Energie verbrauchenden molekularen Transportprozessen. Einen groen Beitrag zur obligatorischen Wrmeproduktion liefert die in allen Zellen des Sugers vorkommende Na+/K+-ATPase. Deren Transportaktivitt hlt den von extrazellulr nach intrazellulr gerichteten Na+-Gradienten aufrecht und liefert damit die Voraussetzung fr die Erregbarkeit von Nervenzellen oder die zellulre Aufnahme von Nhrstoffen wie Aminosuren oder Intermediaten, die hufig im Cotransport mit Na+-Ionen erfolgt (7 Kap. 32.2.3). Die Aktivitt der Na+/K+-ATPase ist nach Schtzungen fr 2040% des Ruheumsatzes verantwortlich, d.h. fr den Energieverbrauch, der zur Aufrechterhaltung der Vitalfunktionen, wie Krpertemperatur, Kreislauf, Atmung und Ausscheidung bentigt wird. In homothermen Organismen, wie dem Menschen, stellt die regulatorische Wrmeproduktion eine dritte Komponente dar, die der Aufrechterhaltung der Krpertemperatur bei variierenden Umgebungstemperaturen dient. Zittern als Antwort gegenber einer Klteexposition bedeutet eine erhebliche Zunahme der Kontraktion der Skelettmuskulatur, die in einem stark gestiegenen ATP-Umsatz und damit der Wrmeproduktion

633 21.1 Energiebilanz

21

. Abb. 21.1. Biochemische Prozesse der Wrmeproduktion. (Einzelheiten 7 Text)

einhergeht. Hhere Umgebungstemperaturen fhren zur Schweibildung mit den Folgen der Wrmeabgabe durch erhhte Evaporation. Die Wrmeproduktion innerhalb von Zellen wird durch zahlreiche neurale und endokrine Faktoren beeinflusst. So stimulieren z.B. Schilddrsenhormone die Na+/K+-ATPase und zahlreiche Komponenten der mitochondrialen Elektronentransportkette. Sie frdern ebenso den Fett-, Kohlenhydrat- und Proteinmetabolismus und den O2-Verbrauch und erhhen damit die Wrmeproduktion (. Abb. 21.1).! Die Maeinheit fr die Energie ist nach Einfhrung der SI-Einheiten das Kilojoule (kJ).

Die Maeinheit Kilojoule (kJ) hat die frher gebruchliche Kilokalorie (kcal) ersetzt, die in der Praxis aber noch sehr hufig verwendet wird. Zwischen Kalorie und Joule besteht folgende Beziehung:

21.1.2

Physiologische Verbrennung der Makronhrstoffe

! Die Makronhrstoffe haben unterschiedliche physiologische Brennwerte.

Der Netto-ATP-Gewinn bei der Oxidation der Makronhrstoffe hngt einerseits davon ab, wie viel Energie der Organismus aufwenden muss, um die Energietrger zu metabolisieren, andererseits davon, wie viel Energie in der Substratkettenphosphorylierung und oxidativen Phospho-

rylierung (7 Kap. 15.1) des jeweiligen Nhrstoffs gewonnen wird. Im Vergleich zum physikalischen Brennwert der Nahrung, d.h. der Energie die bei vollstndiger Verbrennung im Kalorimeter als Wrme freigesetzt wird, ist der physiologische Brennwert, d.h., die dem Organismus tatschlich zur Verfgung stehende Energie, geringer. So gehen etwa 5 10% des physikalischen Brennwerts durch unvollstndige Verdauung und Resorption der Kohlenhydrate, Lipide und Proteine der Nahrung im Magen-Darm-Trakt verloren. Entsprechend bezeichnet man die in den Krper gelangende Energiemenge als verdauliche oder resorbierte Energie. Weitere 510% der aufgenommenen Energie werden fr den Transport, die Speicherung und die biochemischen Umwandlungsprozesse der verschiedenen Nhrstoffe bentigt (. Abb. 21.2). Ein nicht unerheblicher Teil der physikalischen Energie geht letztlich als Wrme bei der Nhrstoffoxidation und dem Umsatz von ATP verloren, whrend der Rest in Form energiereicher Phosphate konserviert wird (. Abb. 21.2). Wird die durch Ausscheidung ber Urin und Faeces verlorene Energie bercksichtigt, ergeben sich mittlere physiologische Brennwerte von 4, 9 und 4 kcal/g fr Kohlenhydrate, Fette und Proteine wenn diese Makronhrstoffe ber eine gemischte Kost zugefhrt werden. Der physiologische Brennwert von Alkohol betrgt etwa 7 kcal/g. Da die Kost in Menge, Art und Zusammensetzung extrem variabel ist und Verdaulichkeit wie Metabolismus auch variabel sind, weichen die realen physiologischen Brennwerte zum Teil betrchtlich von den genannten Mittelwerten ab. Whrend sich die physiologischen Brennwerte fr Kohlenhydrate und Lipide kaum von den physikalischen Brennwerten unterscheiden, ist er im Fall der

634

Kapitel 21 Ernhrung

21

. Abb. 21.2. Die Umwandlung absorbierter Nahrungsenergie in Wrme und Arbeit. Ein Teil der mit der Nahrung aufgenommenen Energie wird fr Digestionsprozesse verbraucht. Der Rest der Energie

wird fr die Aufrechterhaltung metabolischer Prozesse verwendet. Wie bei allen Formen der Energieumsetzung geht ein Teil der Energie als Wrme verloren

Proteine um bis zu 1,65 kcal/g niedriger als der physikalische Brennwert. Dies ist darin begrndet, dass bei der biologischen Oxidation der Protein-Stickstoff unter Energieverlust in Harnstoff berfhrt und ausgeschieden werden muss.! Die Effizienz der Energieausbeute bei der Nhrstoffoxidation ist beeinflussbar.

Die Energieausbeute bei der Oxidation der Nhrstoffe, d.h. die Effizienz mit welcher der mitochondriale Elektronentransport an die ATP-Synthese gekoppelt wird, kann durch pharmakologische Wirkstoffe wie Dinitrophenol, Koffein, Nikotin und Amphetamine beeinflusst werden. Sie knnen den transmembranren Protonengradienten der inneren mitochondrialen Membran und damit die treibende Kraft fr die ATP-Synthese reduzieren. Die damit einhergehende Verminderung des ATP/ADP-Quotienten fhrt kompensatorisch zu erhhtem O2-Verbrauch bei gleichzeitig gesteigerter Oxidation von NADH/H+ und FADH2. Diese Entkopplung der oxidativen Phosphorylierung bedeutet, dass ein grerer Teil der bei der Oxidation freiwerdenden Energie nicht als chemische Energie konserviert wird, sondern in Wrme umgewandelt wird. In gleicher Weise dient die physiologische Entkopplung bei Sugetieren in kalten Klimaregionen und beim Neugeborenen zur Aufrechterhaltung der Krpertemperatur. Die innere Mitochondrienmembran des braunen Fettgewebes von Neugeborenen enthlt dafr grere Mengen des auch uncoupling protein 1 (UCP1) genannten Proteins Thermogenin, das den Rckfluss von Protonen in den mitochondrialen Matrix-

raum ohne die Erzeugung von ATP erlaubt, sodass das chemiosmotische Potential des Protonengradienten als Wrme verloren geht. Whrend Erwachsene kaum noch braunes Fettgewebe und damit kaum UCP1 besitzen, kommen seine Varianten UCP2 und UCP3 in vielen Geweben des Menschen vor und unterliegen einer nutritiven Kontrolle ihrer Synthese. Bei Nagern fhrt eine fettreiche Dit zu verstrkter UCP2-Expression, wodurch in Folge der Energieverbrauch bei erhhter Energiezufuhr ber Wrmebildung reguliert werden kann. Das UCP2 des Menschen wurde auf dem Chromosom 11 lokalisiert. Interessanterweise lassen sich in verschiedenen Spezies die Genloci fr UCP-Proteine mit der Entwicklung von Hyperinsulinmie und Adipositas assoziieren. Vernderungen der Funktion oder der Expressionshhe dieser, die Effizienz der Energieausbeute regulierenden, Faktoren knnten somit die Suszeptibilitt zur Entwicklung von Adipositas beeinflussen. Wenngleich Assoziationen zwischen bestimmten Polymorphismen, besonders in der Promotorregion von UCP2, und dem Auftreten von Adipositas belegt werden konnten, ist bislang unklar, welchen Beitrag UCPs fr die genetisch bedingte Komponente der Adipositas liefern. Unabhngig davon, ob UCP2 beim Menschen fr die Adaptation der ATP-Ausbeute bei der Oxidation der Nhrstoffe bedeutsam ist, lsst sich zeigen, dass die Thermogenese und damit der Ruheumsatz an die Energiezufuhr angepasst werden kann. Unterzieht man gesunde Versuchspersonen einer lngeren Restriktion der Nahrungszufuhr, so erfolgt neben der Abnahme des Krpergewichts auch eine Reduktion des (auf das Krpergewicht bezogenen) Grundumsatzes, was als Verbesse-

635 21.1 Energiebilanz

21

. Abb. 21.3. Nahrungsaufnahme, Krpergewicht und Grundumsatz bei kalorisch restriktiver Ernhrung und Realimentierung im Langzeitexperiment. Versuchspersonen wurden whrend der angegebenen Zeiten zuerst kalorisch restriktiv ernhrt und anschlieend realimentiert. Der adaptative Grundumsatz wurde fr Vernderungen in fettfreier Krpermasse und Fettmasse adjustiert. (Einzelheiten 7 Text)

rung der Effizienz bei der Oxidation von Nahrungsstoffen aufgefasst werden kann. Realimentierung fhrt umgekehrt zur Zunahme von Krpergewicht und Grundumsatz (. Abb. 21.3).

21.1.3

Energieverbrauch und Energiebedarf

! Der Energiebedarf wird durch den Energieverbrauch determiniert.

Der grte Teil des tglichen Energieverbrauchs (metabolische Rate) entsteht durch den Grundumsatz, der dazu dient, metabolische Funktionen aufrecht zu erhalten. Zur Abschtzung des Grundumsatzes dienen folgende Nherungen: 4 Grundumsatz = 4,2 kJ/kg Krpergewicht Stunde oder 4 Grundumsatz = 1 kcal/kg Kpergewicht Stunde Der Grundumsatz ist in der Praxis schwierig exakt zu bestimmen. Es wird daher in der Regel der sog. Ruheenergieumsatz bestimmt. Dieser liegt etwa 515% ber dem Grundumsatz und macht bei einer sitzenden Person etwa 6075% des tglichen Gesamtenergieumsatzes aus. Metabolisch besonders aktive Organe wie Gehirn, Leber, Niere und Herz, die nur 56% des Krpergewichts ausmachen, sind fr mehr als 50% des Ruheenergieumsatzes verantwortlich (. Abb. 21.4). Auf Gramm bezogen ist die metabolische Rate (kcal/g Organmasse) dieser Organe 1540 mal hher als die des ruhenden Muskels und 50100 mal hher als die des Fettgewebes. Die Skelettmuskulatur trgt aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Masse ebenfalls signifikant zum Ruheenergieumsatz bei. . Abb. 21.4 dokumentiert die unterschiedlichen Anteile einzelner Organe am Ruheumsatz der Energie in Abhngigkeit vom Lebensalter.

Zum Gesamtenergiebedarf des Krpers tragen auer dem Ruheenergieumsatz der Erhaltungsbedarf und der Leistungsbedarf bei. Der Erhaltungsbedarf entspricht der zustzlichen Energiemenge, die fr Nahrungsaufnahme, Verdauung und Resorption, die Regeneration von Geweben sowie fr alltgliche Bewegungsablufe wie z.B. Aufstehen, Waschen, Anziehen notwendig ist. Der Erhaltungsbedarf ist auerdem von der Umgebungstemperatur abhngig. Ein beachtlicher Teil des Erhaltungsbedarfs wird durch die in Folge der Nahrungsaufnahme ausgelsten Thermogenese verursacht. Diese postprandiale Thermogenese entspricht etwa 1824% der mit Proteinen, 47% der mit Kohlenhydraten und 24% der mit Fett aufgenommenen Energiemenge. Unter blichen Ernhrungsbedingungen sind 8 15% des tglichen Energieumsatzes auf die postprandiale Thermogenese zurckzufhren. Der Leistungsbedarf entsteht durch krperliche Aktivitt oder besondere physiologische Leistungen whrend

. Abb. 21.4. Der Anteil verschiedener Organe am Ruheenergieumsatz in Abhngigkeit vom Alter

636

Kapitel 21 Ernhrung

21

Wachstum, Schwangerschaft und Stillzeit. Physische Aktivitten knnen je nach Intensitt und Dauer fr 30-50% des Gesamtenergieumsatzes verantwortlich sein. Spontane motorische Aktivitten (non-exercise activity thermogenesis) tragen mit groer individueller Variabilitt zum Energieverbrauch bei. Experimentell lsst sich zeigen, dass Individuen tglich zwischen 200 kcal und 900 kcal nur aufgrund spontaner motorischer Aktivitt verbrauchen. Diese Unterschiede sind fr die zum Teil betrchtlich unterschiedliche Krpergewichtsentwicklung von Individuen mit annhernd gleicher Konstitution bei gleicher Energieaufnahme verantwortlich.! Die metabolische Rate wird durch eine Vielzahl neuronaler und hormoneller Faktoren beeinflusst.

somit auch Bedarf an Energie verbunden. Dies beruht vor allem auch auf der vermehrten Bildung von Cytokinen und deren Wirkungen auf das Immunsystem und den Intermedirstoffwechsel (7 Kap. 25.5).

21.1.4

Experimentelle Ermittlung des Energieumsatzes

! Der Energieverbrauch wird vorwiegend durch direkte und indirekte Kalorimetrie bestimmt.

Durch Aktivierung des sympathischen Nervensystems bei Stress wird durch die Katecholamine Adrenalin und Noradrenalin der Glycogenabbau gefrdert und die Fettsurefreisetzung stimuliert. Im Zusammenspiel mit anderen Hormonen, wie z.B. den Schilddrsenhormonen (7 Kap. 21.1.1) wird dann die Verwertung von Glucose und Fettsuren und damit die metabolische Rate erhht. Insulin und Glucagon beeinflussen die metabolische Rate in antagonistischer Weise. Whrend Insulin die Glycogensynthese, aber auch die Glycolyse und Glucoseoxidation frdert, fhrt Glucagon in der Leber zur Glycogenolyse und Gluconeogenese mit erhhter Abgabe der Glucose ins Blut. Steroide wie Estrogene und Progesteron erhhen die Speicherung von Triacylglycerinen im Fettgewebe whrend Testosteron hier antagonistisch wirkt. Die Bedeutung der hormonellen Konstellation fr die metabolische Rate wird nach Stress mit einer Erhhung des Katecholaminspiegels beispielsweise bei Verletzungen, Fieber, Infektionen oder im Hungerstoffwechsel erkennbar. So fhrt die Steigerung der Krpertemperatur um 1C zu einer Zunahme der metabolischen Rate um etwa 13%. Bei Infektionen ist insbesondere eine erhhte zellulre Aufnahme von Trijodthyronin festzustellen, das im Gegensatz zu den Katecholaminen eine lngerfristige Erhhung der metabolischen Rate bewirken kann. Die meisten Erkrankungen sind mit einem erhhten Umsatz und

Bei der direkten Kalorimetrie wird die Wrmeabgabe von Zellen, Geweben oder Gesamtkrpern in geschlossenen Kammern (Kalorimetern) gemessen. Die indirekte Kalorimetrie nimmt dagegen den O2-Verbrauch als Ma der Wrmeproduktion, da dieser in aerob lebenden Organismen nahezu vollstndig die Oxidation der Nhrstoffe unter O2-Verbrauch widerspiegelt (. Abb. 21.5). Am Beispiel der vollstndigen Oxidation von Glucose lsst sich ableiten: 4 Der Glucoseoxidation liegt folgende Beziehung zugrunde:

4 Pro Mol Glucose werden demnach 6 22,4 l (pro g Glucose 0,75 l) Sauerstoff verbraucht und 4 Beim Verbrauch von 1 l Sauerstoff wird eine Wrmemenge von = 21,6 kJ (5,1 kcal) freigesetzt (7 Oxidationsgleichung fr Glucose). Diese beim Verbrauch von 1 l Sauerstoff freigesetzte Energiemenge bezeichnet man als energetisches quivalent von Sauerstoff fr Glucose. Entsprechende Gleichungen bestehen fr die Oxidation von Fettsuren oder Aminosuren (. Tabelle 21.1). Da das energetische quivalent von Sauerstoff fr die drei wichtigsten Nhrstoffe in der Nahrung des Menschen fast gleich ist (. Tabelle 21.1), verwendet man fr die Be-

. Abb. 21.5. 24-Stunden Registrierung des Energieverbrauchs bei einem Probanden, der sich in einem indirekten Kalorimeter oder in einer Respirationskammer aufhlt. Der Energieverbrauch betrgt

4,2 kJ (1 kcal/min) whrend des Schlafens (dunkelblau) und ist whrend krperlicher Aktivitt (hellblau) und nach Mahlzeiten (grn) erhht

637 21.1 Energiebilanz

21

. Tabelle 21.1. Respiratorischer Quotient und energetisches quivalent fr Sauerstoff fr die einzelnen Nhrstoffe. RQ respiratorischer Quotient Nhrstoff Beispiel Gleichung RQ Freigesetzte Wrme (kJ/g bzw. kcal/g) 16,8 39,7 18,1 4,0 9,46 4,32 Energetisches quivalent (kJ bzw. kcal/l O2) 21,0 19,7 19,3 5,0 4,7 4,6

Kohlenhydrat Fett Protein

Glucose Triolein Alanin

C6H12O6 + 6 O2 C57H104O6 + 80 O2 2 C3H7O2N + 6 O2

6 CO2 + 6 H2O 57 CO2 + 52 H2O (NH2)2CO + 5 CO2 + 5 H2O

6/6 = 1,00 57/80 = 0,71 5/6 = 0,83

rechnung des Energieumsatzes aus dem Sauerstoffverbrauch einen Durchschnittswert von 20 kJ (4,8 kcal)/l O2. Betrgt der Sauerstoffverbrauch in Ruhe z.B. 250 ml/min, so errechnet sich der Grundumsatz pro 24 Stunden wie folgt: 0,250602420 = 7200 kJ (1721 kcal) Aufgrund des unterschiedlichen Gehalts an Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff in den einzelnen Nhrstoffen ergeben sich im Verhltnis von gebildeten Mol CO2 pro Mol an verbrauchtem O2 bei der Verbrennung unterschiedliche respiratorische Quotienten (VCO2/VO2). Diese betragen 1,00 fr Kohlenhydrate, 0,80 fr Proteine und 0,71 fr Fette. Fr Alkohol betrgt der respiratorische Quotient 0,67. Anhand des experimentell ermittelten respiratorischen Quotienten lsst sich somit auch auf den primr oxidierten Nhrstoff schlieen. Fr eine Mischkost betrgt der respiratorische Quotient etwa 0,85.

Eine andere indirekte Methode zur Bestimmung des Energieverbrauchs, die Isotopendilutionsmethode, bedient sich der Isotope 2H und 18O in doppelt markiertem Wasser. Der Vorteil dieser Technik besteht darin, dass sie bei normal lebenden Menschen den Energieverbrauch ber 1014 Tage erfassen kann. Whrend das Isotop 2H den Organismus als Wasser verlsst, verteilt sich 18O auf Wasser und CO2. Die Bildung von CO2 und damit der Einbau von 18 O in CO2 wird dabei durch die Carboanhydrasereaktion katalysiert. Durch Bestimmung der Isotopverteilung im Wasseranteil der Krperflssigkeiten kann der Energieverbrauch anhand der Differenzen der Verlustraten ermittelt werden (. Abb. 21.6). Nach Bestimmung der Gre des Krperwasserpools mit derselben Methode kann man bei Kenntnis der Zusammensetzung der Kost oder unter Annahme eines mittleren respiratorischen Quotienten von 0,85 aus der ermittelten CO2-Produktion den Sauerstoffverbrauch und daraus den Gesamtenergieumsatz berechnen.

. Abb. 21.6. Prinzip der Isotopendilutionsmethode. Doppelt markiertes Wasser 2H218O markiert den Wasserpool und wird mit der Atemluft als CO2 abgeatmet. Aus den unterschiedlichen Verlustraten

von 2H und 18O im Krperwasser lsst sich berechnen, wie viel CO2 aus der Nhrstoffverbrennung gebildet bzw. wie viel O2 verbraucht wurde und damit auf den Energieverbrauch schlieen

638

Kapitel 21 Ernhrung

21

In KrzeVon der mit der Nahrung zugefhrten Energie 5 werden etwa 40% in chemische Energie in Form von ATP umgewandelt 5 der Rest dient der Wrmeproduktion oder Thermogenese Die Thermogenese wird eingeteilt in 5 essentielle 5 regulatorische und 5 obligate Thermogenese Die einzelnen Nhrstoffe sind als Energiequellen bis zu einem gewissen Grad austauschbar, bei gleichzeitigem Angebot von Glucose und Fettsuren in der Nahrung hat die Glucose unter dem Einfluss von Insulin Vorrang bei der Oxidation. Der Energiegehalt der Makronhrstoffe lsst sich durch zwei Parameter ausdrcken: 5 den physikalischen Brennwert, ein Ma der auerhalb des Krpers bei vollstndiger Verbrennung des Nhrstoffs freiwerdenden Energie 5 den physiologischen Brennwert, ein Ma der innerhalb des Krpers bei der Verbrennung des Nhrstoffs freiwerdenden Energie Der Energieumsatz des Menschen setzt sich zusammen aus: 5 Grundumsatz, durch den im Ruhezustand lebensnotwendige Funktionen aufrechterhalten werden 5 Erhaltungsbedarf, durch den Verdauung, Regeneration und alltgliche Bewegungsablufe ermglicht werden 5 Leistungsbedarf, der alle ber den Ruheumsatz und Erhaltungsbedarf hinausgehenden Aktivitten ermglicht

21.2

Der Ernhrungszustand

! Der Ernhrungszustand eines Individuums lsst sich anhand des Krpergewichtes und der Mengenverteilung von Krperfett und Muskelmasse beschreiben.

Einkompartiment-Modell: Das Einkompartiment-Modell bedient sich des Krpergewichts, als einfachstem Parameter zur Erfassung des Ernhrungszustands. Da das Krpergewicht auch von der Krpergre bestimmt wird, verwendet man das relative Krpergewicht, d.h. die Krpermasse in Bezug zur Krpergre, den Body-Mass-Index (BMI = Krpergewicht/Krpergre2 [kg/m2]. Der Normalbereich liegt fr Mnner und Frauen zwischen 18,5 und 24,9 kg/m2. Von bergewicht spricht man bei BMI-Werten von 25,029,9 kg/m2. Bei der Adipositas unterscheidet man anhand des BMI drei Grade: Grad I liegt vor bei BMIWerten von 3034,9 kg/m2, Grad II bei Werten von 35 39,9 kg/m2 und Grad III bei einem BMI-Wert ber 40 kg/ m2. Basierend auf dieser Klassifizierung lsst sich in Deutschland bergewicht bei etwa 4050% und Adipositas bei etwa 1620% der Erwachsenen diagnostizieren. Moderate Tag zu Tag Schwankungen in Krpergewicht und BMI sind normal. nderungen des Krpergewichts von mehr als 500 g pro Tag sind neben nderungen des Gewebebestands meist durch Alterationen des Wassergehalts bedingt. Zweikompartiment-Modell: Fr die Definition von Fettsucht oder auch fr die Beurteilung von Trainingseffekten im Leistungssport ist es notwendig, das Zweikompartiment-Modell anzuwenden, das den Krper in die Kompartimente Krperfett und fettfreie Masse (Magermasse) unterteilt. Das Krperfett kann nochmals in Struktur- und Depotfett unterteilt werden. Strukturfett bildet z.B. die Auskleidung der Augenhhlen oder des Nierenlagers. Seine

Masse betrgt etwa 5 kg und ist weitgehend unabhngig vom Ernhrungszustand. Das Depotfett liegt im Unterhautfettgewebe und im Bauchraum, seine Masse betrgt beim Mann >15 kg und bei der Frau >20 kg. Da etwa 70% des Krperfetts subkutan gespeichert ist, kann durch Bestimmung der Hautfaltendicke an charakteristischen Messpunkten (Biceps, Triceps, subscapular, suprailiacal, am Abdomen, am Oberschenkel) und mit Hilfe empirisch ermittelter Faktoren auf den Krperfettgehalt geschlossen werden. Aus diesem wird nach Bestimmung des Krpergewichts die fettfreie Krpermasse berechnet. Die fettfreie Masse hat den grten Energieumsatz und bestimmt den Energiebedarf des Menschen. Dreikompartiment-Modell: Dieses Modell unterscheidet die Kompartimente Fett und fettfreie Krpermasse und unterteilt diese nochmals in Zellmasse und Extrazellulrmasse. Heute dient die Bioelektrische Impedanzanalyse (BIA), eine nichtinvasive Methode, der Messung der drei Kompartimente Gesamtkrperfett, fettfreie Krpermasse und Gesamtkrpermasse. Die BIA basiert auf der unterschiedlichen Leitfhigkeit der Gewebe bei einer angelegten elektrischen Spannung. In fettfreiem Gewebe ist die Leitfhigkeit durch den hohen Anteil an Wasser und Elektrolyten im Gegensatz zum Fettgewebe hher, whrend Zellmembranen sich wie elektrische Kondensatoren verhalten und eine geringe Leitfhigkeit aufweisen. Die Leitfhigkeit ist umgekehrt proportional zum elektrischen Widerstand (Impedanz), der durch Anlegen von zwei Elektroden am Hand- und Fugelenk gemessen wird und aus dem mittels empirischer Formeln die Fettmasse, die fettfreie Masse und das Gesamtwasser berechnet werden knnen.

639 21.3 Vernderungen der Energiebilanz

21

In KrzeDie Verwendung von Kompartimentmodellen ermglicht die Beurteilung des Ernhrungszustands. 5 Beim Einkompartiment-Modell wird das Krpergewicht zugrunde gelegt. Der body mass index BMI ermglicht eine sichere Beurteilung des Ernhrungszustands 5 5 Beim Zweikompartiment-Modell wird zwischen fettfreier Masse und Krperfett unterschieden Das Dreikompartiment-Modell unterteilt die fettfreie Masse in Zellmasse und extrazellulre Masse

21.3

Vernderungen der EnergiebilanzAusgeglichene Energiebilanz auf niedrigem Niveau (Kalorienrestriktion)

21.3.1

! Eine kalorisch restriktive Ernhrung bei sonst ausreichender Zufuhr aller essentiellen Nhrstoffe verlngert die Lebensspanne nahezu aller Spezies.

Eine Reduktion der normal zugefhrten Energiemenge um 30% zeigt ausgeprgte Effekte auf die Verlangsamung von Alterungsprozessen. Vor allem bei Nagern zeigten sich unter kalorisch restriktiver Ernhrung Besserungen der altersbedingten Fehlregulation des Blutglucosespiegels sowie positive Wirkungen auf Aktivitten antioxidativer Enzymsysteme, Reparaturmechanismen der DNA, Immunfunktionen, Lernfhigkeit, sowie Proteinsynthese und Erhalt der Muskelmasse. Gleichzeitig zeigte sich eine verminderte Oxidation langlebiger Proteine, eine reduzierte Bildung freier Radikale in Mitochondrien, sowie eine Reduktion oxidativer Gewebeschdigungen. Bei ausreichender Zufuhr aller essentiellen Nhrstoffe, zeigte sich ein deutlich verzgertes Auftreten typischer Krankheiten reiferen Alters, wie Autoimmunerkrankungen, Krebs, grauer Star, Diabetes, Hypertonie oder Nierenversagen. Auch bei Rhesusaffen war die langfristige Kalorienrestriktion mit signifikant erniedrigten Spiegeln oxidativ vernderter Proteine und einer Verbesserung der Insulinsensitivitt assoziiert. Zwei 1989 und 1994 begonnene Studien an Rhesusaffen sollen prfen, inwieweit auch die maximale Lebensspanne der Primaten durch kalorisch restriktive Kost erhht werden kann. Mit ersten Ergebnissen dazu wird ca. 2020 gerechnet.! Sirtuine vermitteln die Effekte einer Kalorienrestriktion auf Alterungsprozesse.

rebiosynthese beteiligt sind (7 Kap. 21.5.3). Angesichts der Tatsache, dass die Fettgewebsmasse negativ mit der Lebensspanne und positiv mit dem Auftreten von Insulinresistenz und Arteriosklerose in verschiedenen Sugetierspezies korreliert, kann vermutet werden, dass den Sirtuinen auch beim Menschen entsprechende Wirkungen in der Verzgerung von Alterungsprozessen zugeschrieben werden knnen. Sirtuine sind NAD+-abhngige Histon-Deacetylasen, die dann aktiviert werden, wenn die Substratoxidation niedrig und damit der NAD+/NADH-Quotient hoch ist. Ihre Aktivierung fhrt u.a. zu verminderter Acetylierung von Histonen und zur Hemmung der Transkription von Genen wie z.B. dem Apoptose-induzierenden p53-Gen. SIRT1 hemmt in Herzmuskelzellen die p53-vermittelte Apoptose und seine Expression in Myozyten und Gehirn knnte mit der Regulation der Zellmasse, die besonders in diesen Organen durch Stress-induzierte Apoptose altersabhngig abnimmt, in Zusammenhang stehen.

21.3.2

Positive Energiebilanz

! bergewicht und Adipositas sind die Folgen einer langfristig positiven Energiebilanz.

Als gemeinsames Bindeglied in der Regulation von Alterungsprozessen wurden in Organismen wie Saccharomyces cerevisiae und Drosophila die Sirtuine (silent information regulators) identifiziert. In der Hefe wird SIR2 und in der Nematode C. elegans SIR2.1 fr die alterungsverzgernden Wirkungen einer Kalorienrestriktion verantwortlich gemacht. Das Sugetier-Ortholog SIRT1 reprimiert u.a. im Fettgewebe die durch PPAR- vermittelte Transaktivierung von Genen, deren Produkte beispielsweise an der Fettsu-

Bereits eine Nahrungsaufnahme, die ber lngere Zeit um 12% ber dem Energieverbrauch liegt, fhrt mit der Zeit zu einer nennenswerten Gewichtszunahme. An der Entwicklung von bergewicht und Adipositas sind genetische Faktoren mageblich beteiligt. Dies lsst sich anhand von Zwillingsexperimenten, Familienuntersuchungen und Adoptionsstudien gut belegen. Nur etwa 33% der Variabilitt des BMI lsst sich nicht-genetischen Faktoren zuschreiben. Insbesondere fr die intraabdominelle Ansammlung von Fettgewebe wird eine sehr starke genetische Prdisposition angenommen. Allerdings sind die beteiligten Gene noch nicht identifiziert. Auch wenn der Mensch offenbar eine multi-genetische Prdisposition fr Adipositas besitzt, kann sich diese nur in einer Ernhrungsumwelt mit einem berangebot an Nahrungsenergie bei gleichzeitig niedriger krperlicher Aktivittsrate auswirken. Nur in sehr seltenen Fllen ist die Adipositas als monogene Erkrankung zu diagnostizieren. So sind bisher nur wenige Menschen als homozygote Trger von Mutationen im Leptingen, im Leptinrezeptor-Gen (7 Kap. 16.1.3), oder im Melanocortin-4-Rezeptor-Gen identifiziert wor-

640

Kapitel 21 Ernhrung

21

. Tabelle 21.2. Begleiterkrankungen der Adipositas Stoffwechselstrungen Dyslipoproteinmie Fibrinogen erhht Insulinresistenz Hyperinsulinmie Glucoseintoleranz Hyperurikmie Erkrankungen Diabetes Typ 2 Koronare Herzerkrankung Hypertonie Schlaganfall Angina pectoris Gallensteine Gicht Schlafapnoe Brustkrebs (postmenopausal)

das Gesundheitsrisiko infolge eines erhhten BMI und wendet sich ins Gegenteil: Bei Menschen ber 70 Jahren ist die restliche Lebenserwartung bei einem um 10% erhhten BMI grer als bei normalem oder gar um 10% vermindertem BMI. Offensichtlich sind im Alter ausreichende Energie- bzw. Nhrstoffreserven von Vorteil.

21.3.3

Negative Energiebilanz

! Fortschreitende Nahrungskarenz fhrt zu einer Reihe von nderungen im Interorganstoffwechsel und den Metabolitflssen des Organismus.

den. Strungen endokriner Funktionen knnen sekundr zur Entwicklung von bergewicht und Adipositas beitragen, so z.B. eine Hypothyreose oder eine Behandlung mit Glucocorticoiden. Auch in der Schwangerschaft kommt es gelegentlich zu einer sehr starken Gewichtszunahme, die hufig zu einer bleibenden Gewichtserhhung auch nach der Entbindung fhrt. In Folge von bergewicht und vor allem von Adipositas treten gehuft eine Reihe weiterer Erkrankungen auf (. Tabelle 21.2). Dies ist auch der Grund, warum Adipositas mit einer statistisch eindeutigen Verkrzung der Lebenserwartung einhergeht. Sehr hufig findet sich bei einer Adipositas, besonders bei androidem, abdominellem Fettverteilungsmuster, ein Metabolisches Syndrom (7 Kap. 26.4.2). Hierunter versteht man die Kombination von pathologischer Glucosetoleranz, peripherer Insulinresistenz, Dyslipoproteinmie und Hypertonie. Das Metabolische Syndrom geht auerdem mit der Entwicklung einer vorzeitigen Arteriosklerose einher. Erst mit zunehmendem Alter sinkt

Der Substratumsatz von etwa 7560 kJ (1800 kcal) eines gesunden, fastenden Menschen ist in . Abb. 21.7 dargestellt. Da es obligate Glucose-verbrauchende Zellen und Gewebe gibt, mssen hinreichende Glucosemengen bereitgestellt werden. Fr das Nervensystem, das in 24 Stunden 144 g Glucose oxidiert sowie die Erythrozyten stellt die Leber die bentigten 180 g Glucose bereit, zum Teil durch Glycogenolyse, zum Teil durch Gluconeogenese (7 Kap. 11.3). Hierfr werden die glucogenen Aminosuren aus dem Abbau von etwa 75 g Muskelprotein, 16 g des bei der Lipolyse im Fettgewebe entstandenen Glycerins sowie etwa 36 g Lactat (Pyruvat) verwendet, welches durch Glycolyse in den Erythrozyten gebildet wird. Die Energieversorgung aller anderen Gewebe des Organismus wird durch die freien Fettsuren aus der Lipolyse des Fettgewebes bereitgestellt. Etwa ein Viertel der Fettsuren werden in der Leber in Ketonkrper umgewandelt, die dann ebenfalls der Energieversorgung extrahepatischer Gewebe dienen. Die Glucoseoxidation der peripheren Gewebe ist whrend der Nahrungskarenz sehr niedrig, da Muskulatur und Fettgewebe

. Abb. 21.7. Herkunft, Umwandlung und Verbrauch von Nhrstoffen beim fastenden gesunden Menschen, bezogen auf einen Energieumsatz von 7560 kJ (1800 kcal)/ 24 h. Muskel- und Fettgewebe

stellen die beiden Quellen der Substrate dar, die von Nerven, Erythrozyten, Leukozyten und dem Rest des Organismus verbraucht werden. (Nach Cahill G, 1970 New Engl. J of Med 282:68)

641 21.3 Vernderungen der Energiebilanz

21

. Abb. 21.8. Nach fnf- bis sechswchiger Nahrungskarenz sinkt der Energiebedarf auf etwa 6300 kJ (1500 kcal)/24 h, wobei vorwiegend die Gluconeogenese aus Aminosuren eingeschrnkt wird.

Das Nervensystem gewinnt die Fhigkeit zur Verwertung von Ketonkrpern. (Nach Cahill 1970)

die Glucose nur in Gegenwart von Insulin aufnehmen und oxidieren knnen, die Nahrungskarenz jedoch durch sehr niedrige Insulinkonzentrationen gekennzeichnet ist (7 Kap. 16.1.4, 26.1.3). Eine fortschreitende Nahrungskarenz (Hungern, Fasten) fhrt zu einer Reihe bemerkenswerter nderungen im Interorganstoffwechsel und den Metabolitflssen des Organismus (. Abb. 21.8). Von besonderer Bedeutung ist die Adaption des Gehirns an die Verwertung von Ketonkrpern, die jetzt etwa 70% des Energiebedarfs des Zentralnervensystems decken. Dies wird dadurch ermglicht, dass die Enzyme fr die Verwertung von -Hydroxybutyrat und Acetacetat whrend lngerer Nahrungskarenz induziert werden. Hierdurch vermindert sich die vom Organismus bereitzustellende Glucosemenge von 180 g/24 StdIn KrzeEine kalorisch restriktive Kost bei sonst ausreichender Zufuhr essentieller Nhrstoffe bewirkt eine Verzgerung von Alterungsprozessen. Eine anhaltend positive Energiebilanz fhrt zu bergewicht und Adipositas. Deren Klassifizierung als Risikofaktor erfolgt auf der Grundlage des body mass-Indexes und bei der Adipositas zustzlich anhand des Fettverteilungsmusters. bergewicht und vor allem Adipositas gehen hufig mit einem Metabolischen Syndrom als Kombination von pathologischer Glucosetoleranz, peripherer Insulinresistenz, Dyslipoproteinmie, Hypertonie, Gicht und erhhtem Arterioskleroserisiko einher.

bei kurzfristiger Nahrungskarenz auf ca. 80 g/24 Std. Da die Lipolyserate des Fettgewebes und damit die Glycerinproduktion etwa gleich bleibt, ebenso wie die Lactat(Pyruvat) Freisetzung fr die Gluconeogenese, wird eine Reduktion der Proteolyse in der Skelettmuskulatur auf etwa 20 g/24 Std ermglicht. Erst diese Anpassung erlaubt ein mehrwchiges Hungern, dessen Dauer natrlich durch die Protein- und vor allem Fettreserven bestimmt wird. Einhergehend mit einer reduzierten Harnstoffbiosynthese der Leber verlagert sich die Gluconeogenese zunehmend von der Leber in die Niere begleitet von einer vermehrten renalen Elimination von Ammoniak. Die Bedeutung einzelner Aminosuren fr die renale Gluconeogenese und Stickstoffelimination wurde in 7 Kapitel 13 diskutiert.

Eine nur kurzfristig negative Energiebilanz (kurzfristige Nahrungskarenz) fhrt vor allem zur Mobilisierung von Proteinen des Muskels und Triacylglycerinen des Fettgewebes. Als Energiesubstrate werden verwertet: 5 in obligat Glucose verwertenden Geweben Glucose (aerob im Gehirn, anaerob in Erythrozyten u.a.) 5 in den brigen Geweben Fettsuren und Ketonkrper Die Leberzelle wirkt dabei als Energietransformator: Sie betreibt Gluconeogenese aus den Vorstufen Glycerin, Lactat und den Ketosuren des Aminosureabbaus. Die dafr not6

642

Kapitel 21 Ernhrung

21

wendige Energie gewinnt sie aus der Oxidation von Fettsuren und Ketonkrpern. Eine lnger andauernde Nahrungskarenz ist mit markanten nderungen der Metabolitflsse verbunden und fhrt zur:

5 Fhigkeit des Gehirns zur Ketonkrperverwertung 5 Verminderung der Glucoseoxidation und vermehrter Utilisation von Fettsuren 5 Verminderung der Proteolyse und insgesamt reduzierter Stickstoffausscheidung 5 Reduktion der Harnstoffbiosynthese und vermehrter renaler Ammoniakausscheidung

21.4

Kontrollmechanismen der Nahrungsaufnahme, Energie- und Nhrstoffzufuhr

! Vielfltige neuronale und humorale Faktoren regulieren die Nahrungsaufnahme.

nahme verstrkt vom Fundus des Magens sezerniert wird und die Nahrungsaufnahme zu initiieren scheint (. Abb. 21.9, 7 Kap. 27.7.1, 32.1.6). Neben den neuronalen und humoralen afferenten Signalen werden auch von den in die Blutbahn resorbierten Nhrstoffen selbst Informationen ans Gehirn vermittelt, die Nahrungszufuhr und Appetit reduzieren.! Auch das Fettgewebe ist beteiligt an der langfristigen Regulation der Nahrungsaufnahme.

Die Kontrolle der Nahrungsaufnahme ber Hunger- und Sttigungswahrnehmungen wird ber eine Vielzahl von Faktoren gesteuert, die nicht nur den Energiestatus des Organismus abbilden, sondern ebenso seine Versorgung mit einzelnen Nhrstoffgruppen. Die Kalorienzufuhr durch die Nahrung wird dem Energieverbrauch angepasst und zum Erhalt der Energiehomostase ber mehrere sensorische Systeme erfasst und reguliert. Als zentrales Steuerungselement dient das Gehirn, wo alle Informationen ber den Ernhrungszustand integriert werden und eine koordinierte Antwort auf die eingehenden Signale erfolgt. Afferente Signale knnen neuronaler oder humoraler Art sein, whrend efferente Signale des Gehirns zu einer motorischen Steigerung der Aktivitt zur Nahrungsaufnahme fhren.! Sensorische Wahrnehmungen wie Geruch, Geschmack und Aussehen der Nahrung haben unmittelbare Wirkung auf die Nahrungsaufnahme.

Afferente Signale, die der Langzeitregulation, der Energiehomostase und der Kalorienzufuhr dienen, gehen beispielsweise von den Energiespeichern des Organismus, also hauptschlich vom Fettgewebe aus. Mit der Entdeckung des Peptidhormons Leptin (7 Kap. 16.1.3) gelang es einen mageblichen Faktor zu identifizieren, der das Gehirn ber die Gre der vorhandenen Fettgewebsspeicher und damit Energiereservoirs informiert. Seine Bildung ist unmittelbar abhngig von der Fettsuresynthese bzw. den Wirkungen des Insulins. Leptin reduziert nicht nur die Nahrungsaufnahme nach Bindung an Leptinrezeptoren im Gehirn, sondern erhht ber periphere Rezeptoren auch den Ener-

. Tabelle 21.3. Afferente Signale mit Beteiligung an der Kontrolle der Nahrungsaufnahme Sensorisch Aussehen Geruch Geschmack Gastrointestinal Cholecystokinin Bombesin gastric-insulinotropic peptide (GIP) Enterostatin Ghrelin Metabolisch Glucose Aminosuren Fettsuren Ketonkrper Insulin Glucagon Leptin

Afferente Signale mit unmittelbarer Wirkung auf die Nahrungsaufnahme sind z.B. die sensorischen Wahrnehmungen wie Geruch, Geschmack und Aussehen der Nahrung, sowie die prabsorptiven und postprandialen Signale, die durch Verdauung, Absorption und Metabolismus der Nhrstoffe erzeugt werden (. Tab. 21.3). Dem Gastrointestinaltrakt kommt dabei die Rolle des multiplen Sensorsystems zu. So wird z.B. die Menge der aufgenommenen Nahrung ber Dehnungsrezeptoren im Magen registriert und die Zusammensetzung der Nahrung durch ein Spektrum gastrointestinaler Peptide erfasst, die ber Nahrungsbestandteile im Darmlumen spezifisch freigesetzt und ins Blut abgegeben werden. Die Sekretion von Cholecystokinin wird u.a. durch Produkte der Protein- und Fettverdauung ausgelst und verursacht durch Aktivierung vagaler afferenter Nerven im Gehirn Signale, die zu einer Reduktion der Nahrungszufuhr fhren. Ghrelin ist ein erst krzlich entdecktes Peptidhormon, das beim Fasten und vor der Nahrungsauf-

643 21.4 Kontrollmechanismen der Nahrungsaufnahme, Energie- und Nhrstoffzufuhr

21

. Abb. 21.9. Das Gehirn als Sensor und Signalgeber fr die Kontrolle der langfristigen Energiebilanz. Neben der Erfassung der Gre der Energiespeicher vor allem des Fettgewebes (u.a. durch Leptin) werden durch die Nahrungsaufnahme zahlreiche gastrointestinale Peptidhormone (Grehlin, Cholecystokinin (CCK), glucagon like peptide-1 (GLP-1), Gastroinhibitorisches Peptid (GIP), Peptid YY (PYY) freigesetzt, die zusammen mit Insulin dem Gehirn den Ernhrungsstatus vermitteln. Nach Integration vor allem in hypothalamischen Zentren erfolgt die Steuerung der Nahrungsaufnahme und des Energieverbrauchs. Die Gre der Energiereservoirs (Fettgewebe) ist auch fr die reproduktive Kompetenz des Organismus von Bedeutung

gieumsatz, trgt also bei Zunahme der Fettgewebsmasse zu deren Reduktion durch erhhten Energieverbrauch bei. So war es nahe liegend zu vermuten, dass bei der Adipositas urschlich eine Fehlregulation in der Bildung des Leptins oder auf Ebene seiner Interaktion mit Leptinrezeptoren vorliegt. Heute wird davon ausgegangen, dass die bei Adipositas fast proportional zur Fettmasse erhhten zirkulierenden Leptinspiegel zu einer chronischen peripheren Desensibilisierung des Rezeptorwegs (hnlich zur peripheren Insulinresistenz) fhren sowie mit einer unzureichenden Aufnahme von Leptin ins Gehirn assoziiert sind.! Die Steuerung der Nahrungsaufnahme erfolgt vom Hypothalamus aus.

. Tabelle 21.4. Neuromodulatoren der Nahrungsaufnahme Neuromodulatoren mit hemmender Wirkung auf die Nahrungsaufnahme Neurotransmitter Serotonin Dopamin Noradrenalin Adrenalin GABA Peptidhormone Neurotensin Cholecystokinin Somatostatin Enterostatin Anorectin Bombesin Glucagon Calcitonin Arginin-Vasopressin CRH Neuromodulatoren mit stimulierender Wirkung auf die Nahrungsaufnahme (nach Injektion in das Gehirn von gesttigten Tieren) Neurotransmitter Serotonin GH-RH GABA Noradrenalin Peptidhormone Grehlin Opioide, -Endorphin, Galanin Neuropeptid Y Peptid YY pancreatic polypeptide

Innerhalb des ventromedialen Bereichs stellt der paraventrikulre Nukleus die Region dar, welche Sttigungssignale integriert, whrend im lateralen Hypothalamus die Region lokalisiert ist, die die Stimulation der Nahrungsaufnahme auslst. Vor allem tierexperimentelle Studien haben eine Vielzahl von Neuromodulatoren identifiziert, die vernderte Aktivitten in diesen Hirnregionen herbeifhren und somit die Nahrungsaufnahme beeinflussen (. Tabelle 21.4). Die vom Gehirn ausgehenden Signale auf die Nahrungsaufnahme werden durch das sympathische und parasympathische Nervensystem geleitet. Whrend das sympathische Nervensystem die Nahrungsaufnahme inhibierend beeinflusst, wird sie durch den Parasympathikus stimuliert. Appetitzgler wie die Amphetamine wirken beispielsweise durch Stimulation des Sympathikus. Die Komplexizitt der

644

Kapitel 21 Ernhrung

21

Kontrollmechanismen der Nahrungsaufnahme stellt einen besonders interessanten Forschungsbereich der modernen Neurowissenschaften dar.In KrzeDie Nahrungsaufnahme wird reguliert durch 5 Sensorische Wahrnehmungen wie Geruch und Geschmack der Nahrungsstoffe 5 dem Fettgewebshormon Leptin 5 aus dem Gastrointestinaltrakt stammenden Hormonen, v.a. Cholecystokinin und Ghrelin 5 sowie einer groen Zahl von Neuromodulatoren

21.5

Die Stoffwechselbedeutung einzelner Nhrstoffe und ihre Beteiligung an der HomostaseAminosuren und Proteine

21.5.1

! Die Aminosuren der Nahrungsproteine dienen der Biosynthese von Krperproteinen und als Energiesubstrate fr die Oxidation.

Primr dienen die Aminosuren der Nahrungsproteine als Bauelemente fr die Biosynthese der Krperproteine und in Form ihrer Kohlenstoffgerste als Energiesubstrate fr die Oxidation. Die glucogenen Aminosuren tragen auch zur Aufrechterhaltung des Glucosespiegels bei. Darber hinaus sind die Aminosuren die dominanten Nahrungsquellen von Stickstoff und organischem Schwefel fr eine Vielzahl spezifischer Synthesen im Intermedirstoffwechsel (Purine, Pyrimidine, Porphyrine, sulfatierte Proteine u.a.). Der tgliche Umsatz von Aminosuren im Rahmen der Proteinsynthese und -degradation berwiegt mit etwa 37 mmol/kg Krpergewicht (4,4 g/kg Krpergewicht) pro Tag den der Lipide um 30% und den der Kohlenhydrate um 40%. Am Energiegewinn aus der Substratoxidation partizipieren die Aminosuren jedoch abhngig von der Stoffwechsellage nur mit etwa 15 bis 20%.! Bei ausgeglichener Stickstoff-Bilanz ersetzt das ber die Nahrung zugefhrte Protein den Stickstoff-Verlust des Krpers.

Fr eine ausgeglichene Proteinbilanz ist sowohl der Ersatz derjenigen Proteinmenge notwendig, die abgebaut und nach Oxidation der Aminosuren meist als Harnstoff renal eliminiert wird, als auch eine hinreichende Energiezufuhr um die Verwendung von Aminosuren fr die Energiegewinnung zu unterdrcken. Der tgliche Proteinumsatz eines stoffwechselgesunden 70 kg schweren Erwachsenen betrgt etwa 300 g pro Tag und berschreitet damit mehr als 10-fach den minimalen Proteinbedarf von 0,376 g/kg Krpergewicht und Tag, d.h., von etwa 26 g. Die Proteinsyntheserate ist beim Sugling am hchsten und sinkt mit zunehmendem Alter; entsprechend sinkt auch der Bedarf an Nahrungsprotein und an essentiellen Aminosuren. Bei einer mittleren tglichen Proteinzufuhr mit der Nahrung von etwa 100 g in Deutschland wird heute der Proteinbedarf mehrfach berschritten. Die Nahrungsproteine unterscheiden sich im Gehalt von nicht-essentiellen und essentiellen Aminosuren zum Teil betrchtlich und knnen damit nicht in gleicher und idealer Weise fr die Proteinbiosynthese beim Menschen genutzt werden. Die Qualitt eines Nahrungsproteins fr eine optimale endogene Proteinsyntheserate wird als biologische Wertigkeit bezeichnet. Sie beschreibt in welchem Mae das resorbierte Nahrungsprotein im Krper retiniert werden kann. Meist ist die biologische Wertigkeit pflanzlicher Proteinquellen geringer als die tierischer Produkte. Als Bezugsgre wird aus historischen Grnden das Volleiprotein mit einer biologischen Wertigkeit von 100 verwendet. Basierend auf Bilanzstudien am Gesunden kann die biologische Wertigkeit verschiedener Proteinquellen ermittelt und verglichen werden (. Tabelle 21.5). Die Kombination unterschiedlichster Proteinquellen was bei moderner Ernhrungsweise die Regel ist sichert eine hohe biologische Wertigkeit, sodass die Proteinversorgung in industrialisierten Lndern heute weder quantitativ noch qualitativ ein Problem darstellt.. Tabelle 21.5. Die biologische Wertigkeit (B.W.) verschiedener Proteinkombinationen Prozentuales Mengenverhltnis (N-Prozente) 36 % Vollei 70 % Lactalbumin 75 % Milch 60 % Vollei plus 64 % Kartoffel plus 30 % Kartoffel plus 25 % Weizenmehl plus 40 % Soja plus 32 % Weizen plus 24 % Milch plus 49 % Kartoffel plus 12 % Mais plus 22 % Kartoffel plus 65 % Bohnen plus 48 % Mais plus 16 % Gelatine B.W. 136 134 125 124 123 119 114 114 114 109 99 98

Die bestndige Synthese der krpereigenen Proteine erfordert die Verfgbarkeit aller Aminosuren, vor allem aber der essentiellen Aminosuren (7 Kap. 13.4). Der zellulre Pool an Aminosuren fr die Proteinbiosynthese wird dabei einerseits aus dem endogenen Proteinabbau, andererseits durch die alimentr zugefhrten Proteine gespeist. Die Bilanz zwischen Proteinabbau- und Proteinbiosyntheserate wird durch eine Vielzahl anabol und katabol wirkender Hormone determiniert und kann somit an unterschiedliche Stoffwechsel- und Versorgungsstadien angepasst werden.

68 % Vollei 76 % Vollei 51 % Milch 88 % Vollei 78 % Rindfleisch 36 % Vollei 52 % Bohnen 84 % Rindfleisch

645 21.5 Die Stoffwechselbedeutung einzelner Nhrstoffe und ihre Beteiligung an der Homostase

21

! Eine Kachexie ist stets mit massivem Proteinabbau verbunden.

Proteinmangelzustnde treten bei schweren Maldigestions- und Malabsorptionssyndromen sowie bei Kachexie in Folge von schweren Verletzungen, Tumorerkrankungen oder chronischen Infektionen und AIDS auf. Die Kachexie geht einher mit einem vermehrten Proteinabbau, vor allem in der Muskulatur. Dies ist mit einer Aktivierung des Calpainwegs und der ubiquitinabhngigen proteasomalen Proteindegradation verbunden (7 Kap. 9.3.5). Die calciumabhngige Calpain-regulierte Ablsung der Myofilamente vom Sarkomer ist eine frhe und vermutlich auch die geschwindigkeitsbestimmende katabole Antwort der Muskulatur. Die Myofilamentproteine werden in der Folge ubiquitiniert und im 26S Proteasom abgebaut (7 Kap. 6.2.7, 30.4). In Entwicklungslndern finden sich noch immer, meist bei Kindern, die klassischen Proteinmangelzustnde mit den Krankheitsbildern des Marasmus als einem kombinierten Protein- und Energiemangel und Kwashiokor als selektivem Proteinmangel bei sonst ausreichender Energiezufuhr. Die in Folge des Proteinmangels auftretende Hypoalbuminmie bedingt beim Kwashiokor die ausgeprgten deme. Bei Marasmus kommt es neben Hypoalbuminmie und demen auch zu Fett-Infiltrationen der Leber, zu Wachstumsretardierungen, Anmien, erhhter Infektionsanflligkeit, Anorexie und Apathie.! Das Gleichgewicht zwischen Proteinsynthese und degradation unterliegt der hormonellen Regulation.

Unter den Organen zeigt die Leber die hchste fraktionelle Proteinsyntheserate gefolgt von Herz- und Skelettmuskulatur. Die Halbwertszeit der Proteine schwankt zwischen Minuten (Signalproteine), Stunden (Plasmaproteine, Enzyme) und Monaten (Strukturproteine wie Kollagen). Der bestndige Abbau von Proteinen erfolgt vorwiegend in Proteasomen und Lysosomen (7 Kap. 6.2.7) und speist den zellulren Pool an essentiellen und nicht-essentiellen Aminosuren. Dieser wird durch die aus dem Blut bzw. der Nahrung stammenden Aminosuren ergnzt. Da ein Mangel an essentiellen Aminosuren sofort die Proteinbiosynthese zum Erliegen bringen wrde, wird die Neusynthese von Proteinen zunchst aus dem zellulren Aminosurepool gespeist und dieser dann durch fortschreitende Proteolyse, vor allem der Muskelproteine ergnzt, um essentielle Funktionsproteine synthetisieren zu knnen. Ein lnger bestehender alimentrer Mangel an essentiellen Aminosuren fhrt somit in kurzer Zeit zu einer fortschreitenden negativen Proteinbilanz durch verminderte Proteinsynthese bei gleichzeitig erhhtem Abbau. Das Gleichgewicht zwischen Proteinsynthese und -degradation unterliegt der hormonellen Regulation durch Peptidhormone, Steroide und Schilddrsenhormone. Die strksten Effekte, z.B. auf die Proteinbilanz des Muskels,

ben Insulin und Wachstumshormon aus, letzteres vorwiegend ber IGF-1 (7 Kap. 27.7.2). Auch die Spiegel der zirkulierenden IGF-Bindeproteine unterliegen einer Kontrolle durch den Ernhrungsstatus und regulieren damit sekundr die verfgbare Menge an IGF-1 fr die Interaktion mit den Wachstumsfaktor-Rezeptoren. Whrend Insulin zunchst eine anti-proteolytische Wirkung zeigt, ist eine starke Zunahme der Proteinsyntheserate und damit anabole Insulinwirkung dann zu beobachten, wenn das Angebot von Aminosuren im Extrazellulrraum steigt. Dies mag vor allem mit den ausgeprgten akuten Wirkungen von Insulin auf die Transportsysteme fr Aminosuren in der Plasmamembranen zusammenhngen, die nur dann einen erhhten Influx von Aminosuren in die Zelle herbeifhren knnen, wenn das Angebot aus dem Blut entsprechend gro ist. Da der zellulre Aminosurepool aus dem endogenen Proteinabbau und der Aufnahme aus dem Extrazellulrraum gespeist wird, mssen die Wirkungen der extrazellulren Signalgeber (Hormonspiegel) mit der Gre des Pools an verfgbaren Aminosuren in der Zelle synchronisiert werden. Daher verfgt die Zelle offenbar ber ein eigenes Rezeptorsystem fr Aminosuren, das mit den intrazellulren Insulin/IGF1-Signalketten und der AMP-aktivierten Proteinkinase (AMPK) verknpft ist (. Abb. 21.10). Zentrales zellulres Sensor-Element des intrazellulren Aminosurestatus ist das Protein mTOR (mammalian target of rapamycin), eine Kinase, die das ursprnglich als bakterielles Makrolid identifizierte Rapamycin bindet und dadurch inhibiert wird (7 Kap. 16.1.3). Ein Ausschalten des mTOR-Gens bei Musen ist lethal und zeigt damit seine berragende Bedeutung als zellulrer Sensor des Aminosurestatus. Der mTOR-Weg wird bei einem entsprechend hohen Angebot an Aminosuren in der Zelle vor allem durch Leucin aktiviert und vernetzt letztlich diese Information mit den intrazellulren Signalkaskaden der Tyrosinrezeptorkinasen der Zellmembran. Die integrierte Zellantwort besteht in einer erhhten Ribosom-Genese und erhhter mRNA-Translationsrate von Zielproteinen. Durch mTOR werden vor allem die Signalwege der ribosomalen sog. p70 S6 Kinase aktiviert und eine Hemmung des eukaryoten Translations-Repressor-Bindeproteins (4E-BP1) herbeigefhrt, was die Bildung von Initiationskomplexen frdert, die dann die 40S-Ribosomenuntereinheiten zu den 5 -Enden der mRNA rekrutieren und die vermehrte Proteinsynthese ermglichen (. Abb. 21.10). Die Proteinabbauprozesse werden am strksten durch die Kombination der Stresshormone Glucagon, Adrenalin und Glucocorticoide bei gleichzeitig abfallendem Insulinspiegel gefrdert, wobei jedes Hormon alleine meist nur sehr schwache Wirkungen entfaltet. Sowohl im Falle einer sistierenden Hypo- wie auch einer Hyperthyreose wird eine negative Proteinbilanz beobachtet.

646

Kapitel 21 Ernhrung

21

. Abb. 21.10. Der mTOR-Signalweg. Dargestellt ist ein Modell fr die ber den mTOR-Signalweg vermittelte Erfassung des zellulren Aminosurestatus und seine Einbettung in die Signalketten der Tyrosinrezeptorkinasen und der AMP-Kinase. (Einzelheiten 7 Text)

21.5.2

Kohlenhydrate

! Kohlenhydrate sind die primren Energiesubstrate.

Kohlenhydrate sind die primren Energiesubstrate, die mit ber 50% der tglichen Substratoxidation in die Energiebilanz eingehen. Im Gegensatz zum Fett und Protein sind die Krperpools der Kohlenhydrate sehr begrenzt und stehen daher auch nur zur berbrckung kurzer Zeiten der Nahrungskarenz fr die Aufrechterhaltung des Glucosespiegels des Bluts zur Verfgung. Danach erfolgt die Bereitstellung der Glucose durch Frderung der Gluconeogenese aus den Ketosuren des Aminosureabbaus und aus dem Glycerin des Triacylglycerinabbaus. Die Zufuhr der Kohlenhydrate ber die Nahrung erfolgt in erster Linie in Form von Strke pflanzlicher Lebensmittel und in geringerem Umfang als Glycogen des Muskelfleischs. Die Aufnahme von Disacchariden (Saccharose und Maltose) sowie der Monosaccharide (Glucose, Fructose) ist vor allem durch die breite Verwendung gester Getrnke gestiegen. Als einzige verfgbare Kohlenhydratquelle der Milch besitzt die Lactose in der Suglingsernhrung naturgegeben eine besondere Bedeutung. Die in der Humanmilch enthaltenen hochmolekularen Oligosaccharide, deren Gehalt bis zu 8 g/Liter betragen kann, gelten als unverdaulich und dienen vor allem als Substrate fr die Fermentation durch Bakterien im Dickdarm des Suglings. In diesem Sinne knnen sie als lsliche Ballaststoffe der Muttermilch angesehen werden. Ein expliziter Bedarf an Kohlenhydraten kann nicht definiert werden. Eine mittlere Zufuhr von ca. 120 g pro Tag

wird aber als ausreichend erachtet, um einer ketoazidotischen Stoffwechsellage vorzubeugen. Auch um die Fettzufuhr zu reduzieren empfehlen Fachgesellschaften eine Kohlenhydratzufuhr, die etwa 50% der Nahrungsenergie liefert. Diese sollte in Form komplexer Kohlenhydrate aus Vollkornprodukten, Kartoffeln, Gemse und Obst erfolgen. Der Vorteil ist hierbei, dass diese Quellen gleichzeitig zu einer erhhten Zufuhr an Ballaststoffen, Vitaminen sowie Spurenelementen fhren.! Die Blutzuckerwirksamkeit der Nahrungskohlenhydrate ist unterschiedlich.

Die Blutzuckerwirksamkeit der Nahrungskohlenhydrate, d.h., die Dynamik der Anflutung von Glucose aus dem intestinalen Abbau der Kohlenhydrate in das Blut und die Kinetik der Insulinfreisetzung, sind je nach Quelle und Matrix, d.h. dem physikalischen Zustand der Strke (roh, gekocht) sowie dem Vorhandensein anderer Begleitstoffe, stark unterschiedlich. Dies wird im sog. glykmischen Index erfasst, der die AUC (area under the curve) des Blutglucoseverlaufs als Funktion der Zeit bei Gabe gleicher Mengen an Glucose aus verschiedenen Nahrungsquellen beschreibt. So fhrt die gleiche Menge an Glucose als Monosaccharid oder Strke verabreicht zu recht stark unterschiedlichen Blutzuckerverlufen, da die Strke abhngig von ihrem Quellzustand unterschiedlich schnell gespalten wird und damit die Resorption der Glucose entsprechend langsamer erfolgt. Auch der Fettgehalt der Nahrung bewirkt ber die Verzgerung der Magenentleerung einen flacheren Anstieg des Blutzuckerspiegels bei gleichzeitiger Gabe mit Kohlenhydraten. Inwieweit auch die gastroin-

647 21.5 Die Stoffwechselbedeutung einzelner Nhrstoffe und ihre Beteiligung an der Homostase

21

testinalen Peptidhormone GIP (gastric insulinotropic polypeptide) bzw. GLP-1 (glucagon like peptide 1), die nur nach oraler Gabe von Kohlenhydraten aus enteroendokrinen Zellen ins Blut freigesetzt werden und die Insulinsekretion frdern, fr die unterschiedlichen glykmischen Indices unterschiedlicher Kohlenhydratquellen verantwortlich sind, bleibt zu klren. Es sei hier aber darauf hingewiesen, dass nur fr wenige definierte Lebensmittel verlssliche Werte ber den glykmischen Index vorliegen.! Nahrungsfett hemmt die Lipacidogenese aus Kohlenhydraten.

In der Resorptionsphase wird die Glucose unter der Wirkung von Insulin durch vermehrte Insertion des Glucosetransporters GLUT-4 in die Plasmamembran der Muskelund Fettgewebszellen schnell aus dem Blut extrahiert. In der Leber dient die Glucose der Auffllung der Glycogenspeicher, der Aufrechterhaltung des Blutzuckerspiegels und, wie in anderen Krperzellen auch, als primres Substrat der Oxidation. Die Lipacidogenese, d.h., die de novo Biosynthese von Fettsuren bei einem hohen Angebot an Acteyl-CoA aus dem Glucoseabbau scheint beim Menschen in Leber und Fettgewebe nur in sehr begrenztem Umfang stattzufinden. Selbst bei Kohlenhydratzufuhrrarten von 500 g/Tag ber lngere Zeitrume bleibt die Neubildung von Fett bei weniger als 10 g/Tag. Eine Fettzufuhr von nur 4% der Nahrungsenergie bewirkt bereits eine Hemmung der de-novo Fettsurebildung durch Hemmung der AcetylCoA-Carboxylase, des Schlsselenzyms der Fettsurebiosynthese (7 Kap. 12.2.3). Die endogene Fettsuresyntheserate liegt daher bei einer normalen Kost mit Fettzufuhren von 100 g pro Tag bei weniger als 1 bis 2 g/Tag. Bei einer hyperkalorischen Ernhrung werden dem entsprechend Fettsuren bevorzugt in die krpereigenen Depots des Fettgewebes eingelagert und die Kohlenhydrate oxidiert.! Der Glucoseumsatz unterliegt einer komplexen hormonellen und neuronalen Kontrolle.

Der gesamte Kohlenhydratstoffwechsel, vor allem aber der Glucoseumsatz, unterliegt bekanntlich einer komplexen Kontrolle. Dies betrifft gleichermaen die schnellen Stoffwechselantworten unter Insulin-, Glucagon- und Katecholaminwirkungen als auch die langsameren Effekte durch Wirkungen der Steroide und Schilddrsenhormone. Bisher gelten die extrazellulren Signalgeber als primre Steuerungsgren der adaptiven Vernderungen des Glucosestoffwechsels, die am Ende in akute Vernderungen der Aktivitten von Zielenzymen und in vernderte Transkriptionsraten der fr sie codierenden Gene mnden. Dabei hat sich die zellulre AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK) als ein zentrales intrazellulres Zielprotein fr die koordinierte Stoffwechselantwort herausgestellt (7 Kap. 16.1.4). Sie kann den zellulren Energiestatus anhand des AMP/ATP-Quotienten direkt in vernderte Aktivittszustnde bersetzen und steht somit als zellulres Signalprotein an der Schnitt-

stelle zwischen den Signalketten der Hormone und dem Energiestatus. Die AMPK kann durch Phosphorylierung entsprechender Schlsselenzyme und durch Beeinflussung ihrer Transkription die Energie verbrauchenden Biosynthesewege ab- und Energie liefernden Abbauprozesse anschalten (7 Kap. 16.1.4). Zahlreiche neuere Studien lassen vermuten, dass auch Metabolite des Glucosestoffwechsels, vor allem Glucose-6phosphat, direkt an der Transkriptionskontrolle einiger Gene des Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsels teilhaben. So lsst sich die Induktion der L-Pyruvatkinase (L-PK), der Acetyl-CoA-Carboxylase und Fettsuresynthase der Leber auch in Abwesenheit von Insulin zeigen, wenn Glucose-6phosphat vermehrt durch die Glucokinase bereitgestellt wird. Die Induktion der Glucokinase und der Enzyme der Lipacidogenese unterliegen ihrerseits jedoch der Regulation durch SREBP-1c (sterol-regulatory element binding protein; isoform 1c) und der Insulinwirkung (7 Kap. 11.6.1). Promotorstudien haben in den Genen der L-PK sowie der Acetyl-CoA-Carboxylase und Fettsuresynthase auch ChRE (carbohydrate response element) nachgewiesen, das reziprok durch Glucose und cAMP reguliert wird. Dazu dient ein ChREBP (carbohydrate response element binding protein), das an ChRE im Kern bindet. ChREBP wird bei niedrigem zellulrem Glucosespiegel durch die AMP-aktivierte Proteinkinase bzw. durch die cAMP-abhngige Proteinkinase A phosphoryliert, was seine Translokation in den Zellkern blockiert. Wenn der zellulre Spiegel an Glucose steigt aktiviert ein Glucosemetabolit die Proteinphosphatase 2A, was eine Dephosphorylierung und Aktivierung von ChREBP auslst. Auch Xylulose-5-phosphat aus dem Pentosephosphatweg scheint ber diesen Mechanismus an der Transkriptionskontrolle von Genen der Glycolyse und Lipacidogenese zu partizipieren (7 Kap. 11.1.2). Weiterhin wirkt auch der zellulre Zinkstatus auf die Expression der Gene von Glycolyse und Gluconeogenese sowie des Fettauf- und Abbaus durch die Zinkfingerproteine, die als Transkriptionsfaktoren fungieren. . Abb. 21.11 zeigt vereinfacht die Integration der Signalketten, die den Hormonspiegel (vor allem von Insulin) mit den zellulren Metabolitkonzentrationen (vor allem des Glucose-6-phosphats) in eine koordinierte Genexpressionskontrolle und Stoffwechselanpassung bersetzen.

21.5.3

Lipide

! Die Fettfraktion der Nahrung ist komplex zusammengesetzt.

Der grte Teil der Nahrungslipide wird dem Krper in Form von Triacylglycerinen zugefhrt. Darber hinaus sind Phospholipide, Sphingolipide, Cholesterin sowie die pflanzlichen Sterole und Carotinoide und die fettlslichen Vitamine Bestandteile der Fettfraktion der Nahrung. Die

648

Kapitel 21 Ernhrung

21

. Abb. 21.11. Regulation von Enzymen der Glycolyse und der Fettsuresynthese durch regulierte Transkriptionsfaktoren. Dargestellt ist die Regulation der Transkriptionsfaktoren ChREBP (carbohydrate responsive element binding) und SREBP1c (sterol regulatory element binding protein-1c) durch Insulin und Glycolysezwischenprodukte. (Einzelheiten 7 Text)

durchschnittliche tgliche Fettaufnahme betrgt heute etwa 100130 g. Hiermit werden etwa 4045 g gesttigte, 3040 g einfach ungesttigte und 2025 g mehrfach ungesttigte Fettsuren aufgenommen. Von Befunden epidemiologischer Studien, die den Zusammenhang zwischen quantitativer und qualitativer Fettaufnahme und Erkrankungshufigkeiten, vor allem des kardiovaskulren Systems, untersuchten sind die Empfehlungen von Fachgesellschaften zur Fettaufnahme abgeleitet. Danach sollte Fett nicht wesentlich mehr als 30% der tglichen Energieaufnahme (derzeit etwa 40%) liefern und dabei sollte die Zufuhr von ungesttigten Fettsuren bei etwa 20%, die der gesttigten Fettsuren bei etwa 10% der Nahrungsenergie liegen. Von den mehrfach ungesttigten Fettsuren zeichnen sich die -3-Fettsuren durch eine besondere Gef-protektive Wirkung aus. Daher ist ein Verhltnis der -6- zu -3-Fettsuren von 5:1 anzustreben. Nach der intestinalen Resorption werden die Lipidkomponenten vor allem ber die Chylomikronen in Lymphe und Blut verteilt und den Zellen zugefhrt. Die Triacylglycerine werden nach Hydrolyse in die Adipozyten aufgenommen und nach Reveresterung gespeichert. Ein Kilogramm Fettgewebe hlt eine Energiereserve von etwa 29 000 kJ (7000 kcal) vor und kann bei Nahrungskarenz und einem mittleren tglichen Energieumsatz von 2500 kcal den Energiebedarf etwa 3 Tage lang decken. Die Mobilisierung des Depotfetts unterliegt vielfltiger hormoneller und neuronaler Kontrolle und freigesetzte Fettsuren werden als bevorzugte Energiesubstrate im katabolen Stoffwechsel von den meisten Geweben utilisiert. In der Leber dient das

aus der -Oxidation der Fettsuren hervorgegangene Acetyl-CoA bei ausgelasteter Oxidationsrate der Bildung der Ketonkrper (7 Kap. 12.2.2).! Die unterschiedlichen Fettsureklassen besitzen unterschiedliche nutritive Bedeutung.

Die unterschiedlichen ber die Nahrung zugefhrten Fettsuren nehmen im Stoffwechsel verschiedene Funktionen wahr: 4 Langkettige gesttigte Fettsuren sind vor allem Energietrger als Substrate der -Oxidation 4 Ungesttigte Fettsuren besitzen als Bestandteile der Phospholipide der Plasma- und Organellmembranen strukturgebende Bedeutung und beeinflussen damit die Fluiditt und Funktionalitt der Membranen 4 Die essentiellen Fettsuren dienen vor allem als Substrate fr die Synthese der unterschiedlichen Eikosanoidklassen und beeinflussen damit inflammatorische Prozesse 4 Triacylglycerine mit mittelkettigen Fettsuren (Kettenlngen von 8 bis 12 C-Atomen) werden im Darm weitgehend unabhngig von der Anwesenheit von Gallensuren schnell und berwiegend ohne Hydrolyse resorbiert und gelangen vorwiegend direkt ber die Portalvene zur Leber. Hier werden sie durch Lipasen gespalten und die freigesetzten Fettsuren unter Umgehung des Carnitin-Acyl-Carrier-Systems der mitochondrialen Oxidation zugefhrt. Aufgrund dieser Eigenschaften finden sie im Rahmen der klinischen Ernhrung in parenteralen Lsungen und oral bei

649 21.5 Die Stoffwechselbedeutung einzelner Nhrstoffe und ihre Beteiligung an der Homostase

21

. Abb. 21.12. Transkriptionelle Regulation von ausgewhlten Zielgenen durch PPARs im Zusammenspiel mit RXR. PPAR = Peroxisomen-Proliferation-Aktivierte Rezeptoren; RXR= = Retinoid-X-Rezeptor (Einzelheiten 7 Text)

Fettresorptionsstrungen als effiziente Energiequellen Einsatz. 4 Bei den sog. Transfettsuren stehen die Wasserstoffatome von Doppelbindungen nicht wie bei natrlichen Fettsuren in cis-Position, sondern in trans-Position (7 Kap. 2.2.2). Sie entstehen in grerem Umfang vor allem bei der Raffination von Speisefetten. Aufgrund epidemiologischer Studien und anhand ihrer Wirkungen auf den Anstieg des Plasma-LDL-Cholesterins bzw. Abfall des HDL-Cholesterins werden Transfettsuren als kardiovaskulre Risikofaktoren eingestuft. Fachgesellschaften empfehlen daher, dass die Nahrung nicht mehr als 1% Transfettsuren enthalten sollte. Eine Besonderheit bildet die cis-9, trans-11 konjugierte Linolsure (CLA), die etwa 90% der Linolsurefraktion in Milch und anderen Produkten von Wiederkuern ausmacht. Auch wenn ihr eine Reihe gesundheitsfrdernder Eigenschaften zugesprochen werden, scheint eine abschlieende Beurteilung ihrer gesundheitlichen Bedeutung gegenwrtig nicht mglich.! Fettsuren aktivieren Transkriptionsfaktoren.

In Abhngigkeit von der Nahrungsaufnahme und den davon abhngigen Hormonspiegeln, werden Fettsuren im Interorganstoffwechsel zwischen Fettgewebe, Leber und peripheren Geweben der Speicherung oder der Oxidation zugefhrt. Fettsuren selbst regulieren aber ebenfalls den Stoffwechsel indem sie die Genexpression von Funktionsproteinen des Lipid- und Energiestoffwechsels beeinflussen. Dabei stehen die Transkriptionsfaktoren SREBP-1c (sterol responsive element binding protein 1c) (7 Kap. 21.5.2, 11.6.1) sowie die verschiedenen Isoformen des Peroxisomen-Proliferator-aktivierten-Rezeptors (PPAR) im Mittelpunkt. Die Aktivierung von SREBP-1c induziert ein Spektrum von lipogenen Enzymen in der Leber. Mehrfach ungesttigte Fettsuren hemmen im Gegensatz dazu deren Expression und beeinflussen die Prozessierung von SREBP-1c.

Die Wirkungen freier Fettsuren auf die Genexpression werden vorwiegend ber PPARs vermittelt. PPARs sind Transkriptionsfaktoren, die in hetereodimeren Komplexen mit den Retinoatrezeptoren der RXR-Klasse vor allem die Genexpression von Proteinen fr die zellulre Fettsureaufnahme, die mitochondriale und peroxisomale Fettsureoxidation und die de novo Fettsuresynthese (Lipacidogenese) beeinflussen (. Abb. 21.12). In der Leber fhrt die Aktivierung des dort vorkommenden PPAR- durch mehrfach ungesttigte Fettsuren mit Ausnahme von Linolsure zur vermehrten Bildung von Enzymen fr die Verwertung der Fettsuren und Ketonkrperbildung sowie einer verminderten Synthese der Proteine fr die Lipacidogenese (. Abb. 21.13). Auch Prostaglandine (u.a. PGE2) wirken als Liganden von PPAR-. Im Fettgewebe findet sich vor allem PPAR-, der nach Aktivierung eine erhhte Insulinwirksamkeit herbeifhrt, die die Fettsureaufnahme und deren Reveresterung begnstigt und die Fettsureabgabe unterdrckt (. Abb. 21.13). Im Muskelgewebe findet sich PPAR, der nach Ligandenbindung die vermehrte Synthese von Proteinen fr die Oxidation der Fettsuren und deren Veresterung bedingt (. Abb. 21.13). Aufgrund ihrer Wirkungen sind die PPARs pharmakologische Zielproteine u.a. fr die Therapie des Typ-II Diabetes und der Ateriosklerose mit spezifischen Agonisten wie den Fibraten fr PPAR- oder den Thiazolidindionen fr PPAR-.

21.5.4

Alkohol

! Alkohol ist eine bedeutende Energiequelle.

Zwar wird Ethanol (Ethylalkohol) vorwiegend ber Genussmittel zugefhrt und ist im klassischen Sinne kein Nhrstoff, doch wird er hufig in Mengen aufgenommen, die seine Bercksichtigung in der Energiebilanz des Krpers notwendig machen. So decken mnnliche Erwachsene in Deutschland ihren Energiebedarf im Durchschnitt zu 5%

650

Kapitel 21 Ernhrung

21

. Abb. 21.13. Gewebespezifische Wirkungen der verschiedenen PPAR-Isoformen auf den Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsel. (Einzelheiten 7 Text)

mit alkoholischen Getrnken. Damit trgt auch die Ethanolaufnahme zur zunehmenden berernhrung der Bevlkerung bei. Der Alkoholgehalt wird in Volumenprozent angegeben. Die Alkoholmenge in g/100 ml lsst sich mit dem Korrekturfaktor von 0,79 (Dichte des Alkohols) berechnen (. Tabelle 21.6). Der Energiegehalt von 1 g Alkohol betrgt 30 kJ (7,1 kcal). In Getrnken muss im Hinblick auf den Energiegehalt auch der Kohlenhydratgehalt, z.B. in Likren, Weinen und Bieren, bercksichtigt werden. Die Resorption von Alkohol beginnt bereits im Mund (Mundschleimhaut), erfolgt aber groteils im oberen Magen-Darm-Trakt. Es sind erhebliche interindividuelle Schwankungen zu beobachten. Eine vorherige Nahrungsaufnahme kann die Alkoholresorption verlangsamen, whrend Alkohol in warmen Getrnken (Glhwein, Punsch, Grog), in Kombination mit Kohlensure (Sekt) und im Nchternzustand schneller resorbiert wird. Da Ethanol bestndig auch von einigen Bakterienspezies der Darmflora produziert wird, die ihre Energie aus der Vergrung von Zucker zu Ethanol gewinnen, findet sich in der Portalvene stets eine geringe Menge Alkohol.

! Isoformen der Alkoholdehydrogenase bestimmen die Geschwindigkeit des Ethanolabbaus.

Das Vorkommen der unterschiedlichen Isoformen der Alkoholdehydrogenase und deren genetische Heterogenitt in verschiedenen ethnischen Gruppen und Individuen bedingt eine recht variable Geschwindigkeit der Elimination des Ethanols und seiner berfhrung in Acetaldehyd. Auch das mikrosomale Ethanol oxidierende NADPH-abhngige System und die Peroxidase partizipieren am Ethanolabbau. Nach Reduktion des Acetaldehyds zu Acetat kann dieses in Acetyl-CoA berfhrt und in den Stoffwechsel eingeschleust werden. In der Leber fhrt Ethanol wahrscheinlich wegen der Produktion groer Mengen an NADH/H+ bei seiner Metabolisierung zu einer Hemmung der -Oxidation der Fettsuren. Gleichzeitig wird die Triacylglycerinbiosynthese stimuliert. Ein Teil der Triacylglycerine wird als VLDL in die Zirkulation abgegeben, ein Teil in der Leber abgelagert. Hieraus ergeben sich die pathobiochemischen Vernderungen der Leber bei chronischem Alkoholkonsum (7 Kap. 33.6.1).

651 21.5 Die Stoffwechselbedeutung einzelner Nhrstoffe und ihre Beteiligung an der Homostase

21

. Tabelle 21.6. Alkoholgehalt verschiedener Getrnke g/100 ml Leichtbier Weibier Export Mrzen, Bock Porter, Ale Apfelwein deutsche Tafelweine (Mosel, Rhein, Pfalz) Sptlesen Burgunder, Bordeaux Schaumweine Wermut Portwein Likre Cognac Steinhger, Obstwsser Whisky Wodka Arrak Rum 2 3 4 4,55,5 67 56 710 912 1012 710 14 1517 2442 38 3545 4045 4050 5052 4070

21.5.5

Ballaststoffe

! Ballaststoffe knnen als Quellstoffe oder als Substrate des intestinalen bakteriellen Metabolismus dienen.

Als Ballaststoffe (hufig auch als Nahrungsfasern bezeichnet) werden die in den Lebensmitteln pflanzlicher Herkunft enthaltenen Gerst- und Speichersubstanzen bezeichnet,In KrzeProteine: liefern Aminosuren fr die krpereigene Proteinbiosynthese 5 sind Energiesubstrate 5 stellen Stickstoff und Schwefel fr andere Synthesen bereit Proteine sollten in einer Menge von 0,8 g/kg Krpergewicht zugefhrt werden, wobei deren unterschiedliche biologische Wertigkeit beachtet werden muss. Der Proteinumsatz des Organismus wird durch Hormone in vielfltiger Weise reguliert. Als zellulrer Sensor des Aminosurestatus dient die Proteinkinase mTOR, die mit den Insulin/IGF-1 Signalketten und der AMP-aktivierten Proteinkinase verknpft ist.

die von den Enzymen des Magen-Darm-Trakts des Menschen nicht gespalten werden knnen. Es handelt sich um Polysaccharide (Zellulose, Hemizellulose, Lignin und Pektin), um Nicht-Strkepolysaccharide (Inulin, Methylcellulose) und resistente Strke (Strke in kristalliner Struktur). Man unterscheidet wasserlsliche (Inulin, Pektine und andere Quellstoffe sowie lsliche Hemizellulosen) und wasserunlsliche Ballaststoffe (Zellulose, unlsliche Hemizellulose, Lignin). Manche Ballaststoffe quellen im Darm auf und beeinflussen somit die Viskositt des Chymus und der Faeces und regen darber die Darmmotilitt an. Auerdem besitzen einige die Eigenschaften von Ionenaustauschern und binden Gallensuren. Lsliche Ballaststoffe sind wichtige Energiesubstrate fr den mikrobiellen Stoffwechsel im Dickdarm. Dieser liefert kurzkettige Fettsuren (Acetat, Propionat, Butyrat, Lactat), die ihrerseits als Energiesubstrate im menschlichen Stoffwechsel genutzt werden. Nach ihrer Resorption werden Propionat und Acetat ins Pfortaderblut abgegeben, whrend Butyrat als Substrat bevorzugt dem Stoffwechsel der Dickdarmmukosa dient und die Proliferation der Epithelzellen frdert. Die kurzkettigen Fettsuren senken den pH-Wert des Darminhalts ab und verbessern dadurch u.a. die Verfgbarkeit von Calcium und anderen Elektrolyten sowie von Spurenelementen. Die energetische Verwertung der von der Flora gebildeten kurzkettigen Fettsuren bedingt beim Menschen einen physiologischen Brennwert der lslichen und fermentierbaren Ballaststoffe von etwa 1,5 bis 2 kcal pro g. Der Energiegehalt (bzw. die Energiedichte) ballaststoffreicher Lebensmittel ist generell geringer als der von ballaststoffarmen Lebensmitteln. Dagegen ist der Sttigungseffekt ballaststoffreicher Lebensmittel meist hher. Aufgrund ihrer gesundheitsfrdernden Wirkungen auf Darmfunktionen und der geringeren Energiedichte ballaststoffreicher Lebensmittel wird von Fachgesellschaften eine hohe alimentre Ballaststoffzufuhr empfohlen.

Kohlenhydrate sind: 5 Energielieferanten und dienen in Form von Glycogen als Energiespeicher 5 Kohlenstoffquellen fr die Biosynthese von Fettsuren und einzelnen Aminosuren 5 Bausteine der Heteroglykan-Komponenten von Protein- und Lipidkomplexen Der Kohlenhydratstoffwechsel wird vor allem durch Insulin und Glucagon reguliert. Als intrazellulre Bindeglieder dienen die AMP-aktivierte Proteinkinase, SREBP-1c und ChREBP, welche die koordinierte Stoffwechselantwort u.a. durch die Transkription von Schlsselenzymen des Glucose- und Fettsurenstoffwechsels regulieren. 6

652

Kapitel 21 Ernhrung

21

Lipide sind: 5 Als Triaclyglycerine und Fettsuren Energielieferanten 5 Integrale, strukturgebende Bestandteile von Membranen und Vorlufer von Signalmoleklen 5 In Form der essentiellen -3- und -6-Fettsuren Vorstufen fr die Synthese von Prostanoiden und Leukotrienen Fettsuren beeinflussen durch Aktivierung von PPARs (Peroxisomen-Proliferator Aktivierter-Rezeptor) u.a. die Genexpression von Proteinen fr die zellulre Fettsureaufnahme, die mitochondriale und peroxisomale Fettsureoxidation und die Lipacidogenese.

Alkohol: hat einen physiologischen Brennwert von 29,4 kJ (7 kcal) und wird berwiegend in der Leber oxidiert. Ballaststoffe sind: 5 Bestandteile der pflanzlichen Kost 5 Einflussfaktoren der Motilitt des Darms 5 Substrate fr die Fermentation durch Darmbakterien und stellen darber kurzkettige Fettsuren zur Verfgung

21.6

Besondere ErnhrungserfordernisseErnhrung in speziellen Lebenssituationen

21.6.1

! Schwangerschaft, Stillen, Wachstum, Alter und akute Erkrankungen stellen besondere Ansprche an die Nhrstoffzufuhr.

Schwangerschaft und Stillzeit gehen mit erhhten Syntheseleistungen und Vernderungen im Stoffwechselgeschehen einher. Die Zufuhr von essentiellen Nhrstoffen sollte entsprechend in diesen Lebensabschnitten hher sein. Der Mehrbedarf an Energie liegt in der zweiten Schwangerschaftshlfte bei etwa 1300 kJ (300 kcal) pro Tag. Fr die Stillzeit gilt als Orientierungsgre eine zustzliche Aufnahme von etwa 420 kJ (100 kcal) pro 100 ml sezernierter Muttermilch. Die Muttermilchmenge liegt im Durchschnitt bei 750 ml pro Tag. Im Wachstum ist neben einer erhhten Energiezufuhr auch eine ausreichende Versorgung mit essentiellen Nhrstoffen wichtig. Als Richtwerte des Energieaufwands fr das Wachstum nennt die WHO 21 kJ (5 kcal) pro g Gewebezuwachs. Kinder und Jugendliche nehmen von Tag zu Tag je nach Freizeitbeschftigung und Belastung sowie Nahrungsprferenzen unterschiedliche Mengen an Nahrung und damit Energie auf. Da sich diese Unterschiede jedoch ber lngere Zeitrume ausgleichen, kann auch in diesem Alter das Krpergewicht zur Kontrolle des Ernhrungsstatus dienen. Im Alter treten quantitative und qualitative nderungen des Stoffwechsels und der Organfunktionen auf. Migkeit, Regelmigkeit und Vielseitigkeit spielen bei der Ernhrung des lteren Menschen eine groe Rolle. Gleichzeitig sollte fr eine angemessene krperliche und geistige Bettigung sowie hinreichende soziale Kontakte Sorge getragen werden. Der Bedarf an Nhrstoffen ist in aller Regel

nicht erhht, die Resorption einzelner Nhrstoffe kann jedoch reduziert sein. Wegen des geringeren Energiebedarfs im Alter ist eine hhere Nhrstoffdichte der verzehrten Lebensmittel notwendig. Die Nahrung alter Menschen sollte leicht verdaulich, besonders appetitanregend und mild gewrzt sein. Bei alten Menschen ist besonders auf die Wasseraufnahme zu achten, da mit zunehmendem Alter das Empfinden fr Durst abnimmt. Eine Exsikkose fhrt bei alten Menschen nicht selten zu Verwirrungszustnden. Neuere Studien zeigen, dass fr den alten Menschen ein Krpergewicht von 10% ber dem Sollwert mit einer greren Lebenserwartung einhergeht. Diese Beziehung gilt nicht fr den jungen Menschen (7 Kap. 21.3.1). Die Vernderung des Stoffwechsels bei akuten Erkrankungen verursacht in der Regel einen erhhten Bedarf an Energie und essentiellen Nhrstoffen. So steigt auch der Bedarf an Vitaminen, die Coenzymfunktion haben. Der mit erhhter Krpertemperatur verbundene Verlust von Wasser und Mineralstoffen muss ebenfalls zeitnah ersetzt werden. Bei diversen Krankheiten ergeben sich Nhrstoffund Wasserverluste durch Strungen der intestinalen Resorption, durch Diarrh oder ber Wundsekrete und Drainagen, die entsprechend eine Substitution notwendig machen. Eine kalorisch wie an essentiellen Nhrstoffen unzureichende Ernhrung fhrt auch zu Funktionseinbuen des humoralen und zellulren Immunsystems, was den weiteren Krankheitsverlauf bzw. die Prognose negativ beeintrchtigen kann.

21.6.2

Klinische Ernhrung

! Bei bestimmten Krankheitsbildern muss die orale Nahrungsaufnahme umgangen werden.

Als knstliche Ernhrung bezeichnet man jegliche Form von Nahrungszufuhr auf nicht-physiologischem Weg. In aller Regel werden dazu die Patienten, die nicht normal es-

653 21.6 Besondere Ernhrungserfordernisse

21

. Tabelle 21.7. Vergleich des oralen und parenteralen Bedarfs an Aminosuren insgesamt und an essentiellen Aminosuren. (Nach Munro 1974) Zugefhrt auf Gruppe Bedarf [mg/kg Krpergewicht] Aminosuren insgesamt Oralem Weg Kindera 1012 Jahrea Erwachsenea Parenteralem Weg Parenteralem Weg Erwachsene (normal) Kinder (postoperativ)b Erwachsene (postoperativ) Erwachsene (normal)b Erwachsene (urmisch)ba b a

Essentielle Aminosuren 680 260 80