Einleitung

Der Metabolismus der Kohlenhydrate kann unterteilt werden in: 

• Verdauung / Aufnahme (Resorption)
• Um- und Abbau der Kohlenhydrate / Neubildung von Kohlenhydraten
• Speicherung der Kohlenhydrate

Die Steuerung dieser Stoffwechselwege obliegt

• dem Angebot und der Nachfrage an Kohlenhydraten
• den an diesen Stoffwechselpfaden beteiligten Enzymen und
• Hormonen, welche die Glucosekonzentration im Blut regulieren:
  Insulin, Glucagon, Cortisol u.a.

Störungen des Kohlenhydratstoffwechsels werden unterteilt in

• Hyperglykämien
• Hypoglykämien
• Angeborene Störungen des Kohlenhydratstoffwechsels

 

Verdauung und Aufnahme der Kohlenhydrate

Die Verdauung der Kohlenhydrate beginnt im Mund, wenn die gut zerkaute Nahrung der von den Speicheldrüsen freigesetzten Amylase ausgesetzt wird. Die Amylase spaltet nach dem Zufallsprinzip a,1-4-Bindungen, das Ergebnis sind Kohlenhydratbruchstücke verschiedener Grösse (Dextrine) und Maltose.

Der saure Magensaft inaktiviert die Amylase aus den Speicheldrüsen. Im Darm vollendet die pankreatische Amylase die Aufspaltung von Stärke und Glycogen in Maltose. Die intestinalen Disaccharidasen spalten sowohl Maltosen wie auch Lactose- und Saccharosemoleküle, so dass schlussendlich die Kohlenhydrate als Monosaccharide Glucose, Galactose und Fructose von den Darmzellen aufgenommen und in das Blut überführt werden, wo sie über den portalen Kreislauf zuerst einmal in die Leber gelangen.

 

Abbau und Umbau der Kohlenhydrate

Da ausschliesslich Glucose vom Organismus zur Energiegewinnung genutzt werden kann, werden Galactose und Fructose in der Leber zu Glucose umgewandelt.

In einem ersten Schritt wird vom ATP eine Phosphatgruppe auf das C₆-Atom des Glucosemoleküls übertragen. Diese Reaktion wird in den Leberzellen von der Glucokinase, in den übrigen Zellen von der Hexokinase katalysiert. 

Abb.1: Glucose-6-Phosphat
Magnesium ist ein Aktivator des Enzyms Hexokinase.

Das Glucose-6-Phosphat ist der Ausgangspunkt für drei verschiedene Stoffwechselwege: 

• Abbau der Glucose durch die Glycolyse
• Abbau der Glucose im Hexose-Monophosphat-Shunt
• Speicherung der Glucose als Glycogen 

Abb.2: Stellung des Glucose-6-Phosphats im Glucosestoffwechsel

 

Der Abbau der Glucose: die Glycolyse

Der Abbau der Glucose bis zu Pyruvat / Lactat wird als Glycolyse bezeichnet. Das spezielle daran ist, dass dabei Energie ohne Verwendung von Sauerstoff gewonnen werden kann. Die Enzyme der Glycolyse sind im Cytosol der Zellen lokalisiert. 

Abb.3: Die Glycolyse
Enzyme: 1= Hexokinase, Glucokinase 2= Phosphohexoseisomerase, 
3= Phosphofructokinase, 4= Aldolase, 5= Triosephosphatisomerase, 
6= Phosphoglycerinaldehyd-Dehydrogenase, 7= Phosphoglyceratkinase, 
8= Phosphoglyceratmutase, 9= Enolase, 10= Pyruvatkinase, 11= Lactatdehydrogenase (LDH). 

Wie aus Abbildung 3 zu sehen ist, kann man die Glycolyse in zwei Phasen unterteilen:

• Die erste Phase dient dem Umbau des Moleküls, so dass aus einem Molekül Glucose die beiden gleichartigen Bruchstücke Glyceral-3-Phosphat und Glyceronphosphat (früher als Dihydroxyacetonphosphat bezeichnet) entstehen. Die beiden Triosen können zudem ineinander umgewandelt werden.

• In der zweiten Phase sind die beiden energieliefernden Reaktionen lokalisiert.

Unter anaeroben Bedingungen (Sauerstoffmangel) wird Pyruvat in Lactat umgewandelt, um aus NADH + H⁺ wieder NAD⁺ zu gewinnen. Dabei ist die Glycolyse die einzige Möglichkeit das energiereiche ATP aufzubauen. 

Unter aeroben Bedingungen kann Pyruvat in Citratzyklus und Atmungskette unter weiterem Energiegewinn zu CO₂ und Wasser abgebaut werden.

Bilanz 
Bei der Glycolyse wird 1 Molekül Glucose in 2 Moleküle Pyruvat zerlegt. Zudem entstehen 
2 Moleküle ATP und 2 Moleküle NADH + H⁺: 

Abb.4: Bilanz der Glycolyse

Unter anaeroben Bedingen wird Pyruvat in Lactat umgewandelt, dabei wird NAD+ regeneriert: 

Glycogen ist die intrazelluläre Kohlenhydratreserve beim Menschen. Besonders reich an Glycogen sind Leber und Muskulatur, allerdings ist der Glycogengehalt der Leber stark vom Ernährungszustand abhängig und sinkt schon nach kürzerem Fasten auf einen Minimalwert. 

Die starke Verzweigung der Glycogenmoleküle ermöglicht es, dass der enzymatische Abbau bei Bedarf gleichzeitig an verschiedenen Orten einsetzen kann.

 

Die Neubildung der Glucose: die Gluconeogenese

In der Leber kann Lactat über Pyruvat wieder zu Glucose aufgebaut werden, wobei 3 Moleküle ATP aufzubringen sind. Diesen Stoffwechselweg nennt man Gluconeogenese.

In der Muskulatur fehlen die Enzyme der Gluconeogenese. Die Muskelzellen geben daher das Lactat an das Blut ab, womit es zu weiteren Verwendung zur Leber gelangt. Dieses Wechselspiel zwischen Muskulatur und Leber wird als Cori-Zyklus bezeichnet. 

Aminosäuren, welche bis zu Pyruvat abbaubar sind, können ebenfalls zur Glucoseneubildung herbeigezogen werden. 

 

Die Stoffwechselwege der Glucose

In Abb.5 ist ein kleiner, und zudem stark vereinfachter Ausschnitt aus dem Stoffwechsel der Glucose dargestellt. 

Abb. 5: Im Darm aufgenommene Glucose wird u.a. zu Gehirn, Leber und Muskeln transportiert. In den Muskelzellen wird Glucose unter Energiegewinn zu Lactat abgebaut. 
Lactat wird auf dem Blutweg von den Muskelzellen zur Leber transportiert. 
Die Leber kann Lactat erneut zu Glucose aufbauen, dabei wird allerdings Energie verbraucht. Die Glucose kann von der Leber als Glykogen (= lange Ketten aus Glucosemolekülen) gespeichert oder anderen Organen zur Verfügung gestellt werden.
Im Gehirn wird Glucose unter Energiegewinn zu CO2 und H2O abgebaut.

Bei der Vielzahl der möglichen Reaktionen ist eine Steuerung des Stoffwechsels lebenswichtig. Praktisch alle Reaktionsschritte werden von Enzymen gesteuert.

02.02.2001 /hpk