Kohlenhydratverdauung
Die wichtigsten Nahrungs-Kohlenhydrate sind Stärke, Saccharose und Laktose. Stärke ist aus Glukoseresten aufgebaut, die durch α-1,4-glykosidische und α-1,6-glykosidische Bindungen verknüpft sind.
Der Stärkeabbau beginnt in der Mundhöhle unter Einwirkung von Speichel-α-Amylase unter Bildung von Dextrinen. Im Magen gibt es keine Enzyme für die Kohlenhydratlyse, lediglich eine Restwirkung der Speichelamylase ist möglich. Im Zwölfferdarm spaltet Pankreas-α-Amylase Stärke zu Maltose (α-1,4) und Isomaltose (α-1,6).
An der Bürstensaummembran der Enterozyten arbeiten membranständige Glykosidasen: Der Saccharase-Isomaltase-Komplex hydrolysiert Maltose, Isomaltose und Saccharose; Laktase (β-Glykosidase) spaltet Laktose in Galaktose und Glukose. Die Laktaseaktivität ist bei Kindern am höchsten und nimmt mit dem Alter ab, was bei einigen Erwachsenen zu Laktasemangel führt.
Resorption von Monosacchariden
- Erleichterte Diffusion über spezifische Transporter – typisch für Fruktose (GLUT5), außerdem möglich für Glukose und Galaktose.
- Sekundär-aktiver Transport mit Na⁺-Symport (SGLT) – für Glukose und Galaktose entgegen dem Gradienten; der Na⁺-Gradient wird unter ATP-Verbrauch durch die Na⁺/K⁺-ATPase aufrechterhalten.
- Aus dem Enterozyten gelangen Monosaccharide durch erleichterte Diffusion (GLUT2) in das Blut.
Die Glukoseaufnahme durch Gewebezellen erfolgt über Proteine der GLUT-Familie. Von besonderer Bedeutung ist GLUT4 – der insulinabhängige Transporter des Muskel- und Fettgewebes.
Phosphorylierung von Glukose in der Zelle
Nach dem Eintritt in die Zelle wird Glukose sofort zu Glukose-6-phosphat phosphoryliert. Die Reaktion wird katalysiert durch:
- Hexokinase – niedrige Kₘ (~0,1 mmol/l), aktiv in allen Geweben, wird durch das Produkt (Glukose-6-phosphat) inhibiert.
- Glukokinase – hohe Kₘ (~10 mmol/l), wird durch Insulin induziert, aktiv in Hepatozyten und pankreatischen β-Zellen.
Glukose-6-phosphat ist ein zentraler Metabolit und wird für die Synthese von Glykogen, Pentosen, anderen Monosacchariden und Aminosäuren sowie für den Katabolismus zu CO₂ und H₂O unter ATP-Bildung oder zu Laktat genutzt.
Glycogensynthese
Die Glykogenese ist in der absorptiven Phase (1–2 Stunden nach der Mahlzeit) aktiv. Stadien:
- Glukose → Glukose-6-phosphat (Hexokinase/Glukokinase).
- Glukose-6-phosphat → Glukose-1-phosphat (Phosphoglucomutase).
- Glukose-1-phosphat + UTP → UDP-Glukose + Pyrophosphat (UDP-Glukose-Pyrophosphorylase).
- Glykogensynthase überträgt den Glukoserest von UDP-Glukose auf einen Primer aus 5–8 Resten unter Bildung einer α-1,4-glykosidischen Bindung.
- Nach Verlängerung der Kette auf ca. 12 Reste überträgt das Verzweigungsenzym (Amylo-1,4→1,6-Glukosyltransferase) ein Fragment aus 5–6 Resten und bildet eine α-1,6-Bindung – den Verzweigungspunkt.
Mobilisierung von Glykogen
Die Glykogenolyse findet in der postabsorptiven Phase (10–18 Stunden Fasten) und bei intensiver körperlicher Belastung statt. Das Schlüsselenzym ist die Glykogenphosphorylase, die α-1,4-Bindungen unter Bildung von Glukose-1-phosphat spaltet. An den Verzweigungspunkten, wenn noch 4 Reste verbleiben, überträgt die Oligosaccharid-Transferase ein Trisaccharidfragment auf die Hauptkette und belässt einen Rest in der α-1,6-Bindung. Diese Bindung wird durch α-1,6-Glykosidase unter Freisetzung von freier Glukose hydrolysiert.
Glukose-1-phosphat wird zu Glukose-6-phosphat isomerisiert. Im Muskel wird es für den Eigenbedarf (Glykolyse) genutzt. In der Leber entsteht unter Einwirkung von Glukose-6-phosphatase freie Glukose, die zur Aufrechterhaltung der Glykämie in das Blut abgegeben wird.
Hormonelle Regulation
Synthese und Abbau von Glykogen werden reziprok über die Phosphorylierung zweier Schlüsselenzyme reguliert: der Glykogensynthase (aktiv in dephosphorylierter Form) und der Glykogenphosphorylase (aktiv in phosphorylierter Form). Der Zustand wird über den Insulin-Glucagon-Quotienten (IGQ) beurteilt.
Insulin (hoher IGI, postprandial): aktiviert über den Tyrosinkinaserezeptor die Glykogenpartikel-Proteinphosphatase, welche beide Enzyme dephosphoryliert – die Glykogensynthase wird aktiviert, die Glykogenphosphorylase inaktiviert. Parallel dazu stimuliert Insulin den Einbau von GLUT4, induziert die Glukokinase und aktiviert die Phosphodiesterase, die cAMP abbaut.
Glucagon (in der Leber) und Adrenalin (über β₂-Adrenozeptoren) wirken über G-Proteine und Adenylatzyklase: ATP → cAMP → Aktivierung der Proteinkinase A (PKA). PKA phosphoryliert die Phosphorylasekinase, welche die Glykogenphosphorylase aktiviert, und phosphoryliert gleichzeitig die Glykogensynthase, wodurch diese inaktiviert wird. Adrenalin löst über α₁-Rezeptoren den Inositolphosphatweg und die Ca²⁺-abhängige Aktivierung der Phosphorylasekinase aus.
Schlüsselpunkte
- Stärke wird durch Speichel- und Pankreas-α-Amylasen zu Maltose und Isomaltose und weiter durch membranständige Glykosidasen zu Monosacchariden hydrolysiert.
- Glukose wird sekundär-aktiv mit Na⁺ (SGLT) und durch erleichterte Diffusion resorbiert; sie gelangt über GLUT in das Gewebe, wobei GLUT4 insulinabhängig ist.
- Hexokinase hat eine niedrige Kₘ und wird durch ihr Produkt gehemmt, Glukokinase hat eine hohe Kₘ und wird durch Insulin induziert.
- Die Glykogensynthese erfolgt über UDP-Glukose; die Glykogensynthase bildet α-1,4-Bindungen, das Verzweigungsenzym α-1,6-Bindungen.
- Der Abbau wird durch die Glykogenphosphorylase katalysiert; Verzweigungspunkte werden durch Oligosaccharid-Transferase und α-1,6-Glykosidase entfernt.
- Nur die Leber enthält Glukose-6-phosphatase und liefert freie Glukose an das Blut.
- Insulin aktiviert die Glykogensynthase durch Dephosphorylierung; Glucagon und Adrenalin aktivieren über cAMP und PKA den Abbau und hemmen die Synthese.