Kohlenhydrate (Ernährungsmedizin)

Kohlenhydrate (KH) sind organische Verbindungen, die aus Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) bestehen. Sie werden unter der allgemeinen Strukturformel Cn(H2O)n zusammengefasst.

In Pflanzen und Mikroorganismen entstehen KH im Zuge der Photosynthese, während sie im menschlichen Organismus Produkte des Intermediärstoffwechsels sind. Bei mangelnder Zufuhr (z.B. Fasten) ist der Körper in der Lage, KH aus anderen Stoffen zu synthetisieren (Glukoneogenese). KH gehören daher grundsätzlich nicht zu den essenziellen Nährstoffen.

 Definition

Essenzielle Nährstoffe sind lebensnotwendige Verbindungen, die der Körper nicht selbst synthetisieren kann. Er ist daher auf die Zufuhr mit der Nahrung angewiesen.

 Info

Glukoneogenese

• Definition: Neubildung von Glukose aus Nicht-Kohlenhydraten (Pyruvat) → Dient der Aufrechterhaltung eines konstanten Glukosespiegels.
• Syntheseort: Leber, (zu geringen Anteilen auch in der Niere)
• Bedeutung: einige Gewebe des Körpers (z.B. Gehirn, Erythrozyten) haben einen absoluten Glukosebedarf. Dieser kann normalerweise durch die Ernährung und den Abbau von gespeichertem Glykogen gedeckt werden. Bei unzureichender Zufuhr ist der Organismus jedoch auf die körpereigene Synthese angewiesen.

KH werden nach der Anzahl ihrer verknüpften Grundbausteine (Monomere) in folgende Gruppen eingeteilt:

• Monosaccharide (MS): Grundbausteine der KH („Einfachzucker“)
• Disaccharide: aus 2 MS-Einheiten
• Oligosaccharide: 3-10 MS-Einheiten
• Polysaccharide: >10 MS-Einheiten

→ Der Begriff „Zucker“ bezieht sich im Allgemeinen auf Mono- und Disaccharide

 Achtung

Die Zufuhrempfehlungen im Kapitel Nährstoffgruppen (Makro- und Mikronährstoffe) beziehen sich alle auf durchschnittliche Empfehlungen für gesunde Erwachsene. Wie in späteren Kapiteln noch deutlich wird, kann der individuelle Nährstoffbedarf variieren.

Monosaccharide

Monosaccharide sind die kleinsten Bausteine der KH. Sie können im Verdauungstrakt durch Hydrolyse nicht mehr weiter gespalten werden. Ihr Grundgerüst besteht aus:

• Mind. 3 Kohlenstoffatomen
• Mehreren Hydroxylgruppen
• Einer funktionellen Carbonylgruppe

Je nachdem, ob es sich bei der Carbonylgruppe um eine Aldehyd- (Carbonylgruppe am Kettenende) oder um eine Ketogruppe (Carbonylgruppe innerhalb der Kette) handelt, werden sie entsprechend als Aldosen bzw. Ketosen bezeichnet.

Zusätzlich werden Monosaccharide nach der Anzahl ihrer Kohlenstoffatome eingeteilt. Für die menschliche Ernährung spielen v.a. Pentosen (5 C-Atome) und Hexosen (6 C-Atome) eine Rolle.

 Info

Nur 4 der 12 natürlich vorkommenden Hexosen können vom Körper absorbiert und damit in nennenswertem Umfang verstoffwechselt werden. Zu diesen Hexosen zählen: Glukose, Galaktose, Fruktose und Mannose.

→ Glukose ist die für den menschlichen Stoffwechsel wichtigste Hexose.

In Lösung liegen KH selten offenkettig vor. Dies ist auf eine Reaktion zurückzuführen, bei der die Carbonylgruppe mit einer Hydroxylgruppe desselben Moleküls reagiert. Dabei entsteht eine Ringstruktur. Je nachdem, wie viele Atome an der Ringbildung beteiligt sind, unterscheidet man Furanosen (5-gliedrig) und Pyranosen (6-gliedrig).

Disaccharide

Von Disacchariden spricht man, wenn 2 Monosaccharide durch eine sog. glykosidische Bindung miteinander verknüpft sind. Diese Bindung entsteht durch eine Kondensationsreaktion (unter Wasserabspaltung) zwischen den OH-Gruppen der Einfachzucker.

Polysaccharide

Der Übergang von Oligo- zu Polysacchariden ist fließend. In der Regel werden jedoch KH ab einer Kettenlänge von 10 Monosacchariden als Polysaccharide bezeichnet. Man unterscheidet grob zwischen Homoglykanen (aus identischen Monosacchariden) und Heteroglykanen (aus unterschiedlichen Monosacchariden).

Homoglykane:

Die für uns wichtigen Homoglykane bestehen alle aus Glukosemonomeren, weisen jedoch unterschiedliche glykosidische Bindungen auf:

• Glykogen: Glukosespeicher im menschlichen Organismus
• Stärke: Glukosespeicher in Pflanzen
• Cellulose: Gerüstsubstanz der Pflanzen

Heteroglykane:

Heteroglykane treten wie Oligosaccharide häufig in Verbindung mit anderen Substanzen wie Lipiden oder Proteinen auf. In Kombination werden sie auch als „komplexe KH“ bezeichnet. Sie dienen u.a. als Bausteine für verschiedene Körperstrukturen. Folgende Verbindungen zählen zu den Heteroglykanen:

• Glykosaminoglykane
• Glykoproteine
• Glykolipide
• Proteoglykane

Weitere Klassifizierung:

Eine weitere gebräuchliche Methode zur Klassifizierung von Polysacchariden ist die Unterscheidung zwischen Stärke und Nicht-Stärke-Polysacchariden. Stärke besteht aus Amylose (linear aufgebaut, löslich) und Amylopektin (verzweigt, unlöslich). Neben ihrer Funktion als Glukosespeicher in Pflanzen ist Stärke die wichtigste Kohlenhydratquelle der menschlichen Ernährung. Nahrungsstärke lässt sich wiederum unterteilen in:

• Schnell verdauliche Stärke
• Langsam verdauliche Stärke
• Resistente Stärke (→ Wird im Verdauungstrakt nicht abgebaut und resorbiert)

Resistente Stärke bildet zusammen mit den Nicht-Stärke-Polysacchariden (+ Lignin) die Gruppe der Ballaststoffe.

Wichtige Funktionen der Kohlenhydrate:

• Energiequelle & -speicher
  • Wichtigste Energiequelle der menschlichen Ernährung (Gehirn, Nieren & Erythrozyten haben einen absoluten Glukosebedarf)
  • Energiespeicher in Form von Glykogen (v.a. in Leber & Muskeln)
• Bausteine verschiedener Biomoleküle: Bestandteil von Nukleinsäuren, Zellmembranen, Bindegewebssubstanz etc.
• Als Bestandteil von Glykolipiden & Glykoproteinen u.a. wichtig für:
  • Signalübertragung
  • Zell-Zell-Kommunikation
  • Oberflächendifferenzierung (z.B. AB0-System)

Übersicht und Vorkommen physiologisch wichtiger Kohlenhydrate: