Zuckerstoffwechsel

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Einleitung

Zuckerstoffwechsel, biochemische Vorgänge, mit denen der Organismus aus Zucker Energie gewinnt.

Die Kohlenhydrate, neben Proteinen und Fetten einer der drei Hauptbestandteile unserer Nahrung, haben an der Ernährung des Menschen meist den größten Anteil. Bei der Verdauung und Verarbeitung aller Kohlenhydrate entsteht als Endprodukt die Glucose (Traubenzucker), die im Blut den Blutzucker bildet. Auch im Proteinstoffwechsel entsteht Glucose – bei Mangel an Kohlenhydraten wird in der Leber durch die Gluconeogenese sogar verstärkt aus Aminosäuren Glucose hergestellt. Sie ist der wichtigste „Treibstoff”, der in den Muskeln und anderen Körperteilen zur Energiegewinnung dient. Glucose ist in allen Zellen und fast allen Körperflüssigkeiten enthalten, und die Steuerung ihrer Konzentration und Verteilung gehört zu den wichtigsten Vorgängen im Organismus. Von vergleichsweise untergeordneter Bedeutung für die menschliche Physiologie sind einige andere Zucker, insbesondere die Lactose (Milchzucker), die in den Brustdrüsen aller Säugetiere gebildet wird und in ihrer Milch enthalten ist.

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Verdauung, Umsetzung und Speicherung

Kohlenhydrate wie Stärke, Dextrin, Glykogen (tierische Stärke), Saccharose (Rohr- und Rübenzucker), Maltose (Malzzucker) und Lactose werden im Verdauungstrakt in einfache Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen gespalten, die leicht durch die Darmwand wandern können. Fructose (Fruchtzucker) und Glucose werden in unveränderter Form resorbiert. Die Cellulose, ein verbreiteter Bestandteil vieler Nahrungsmittel, ist für die Ernährung vieler Tiere von großer Bedeutung, beispielsweise für Rinder und Termiten; sie ist für die Nährstoffversorgung insgesamt wichtig, aber der Mensch kann sie für seine Ernährung nicht verwerten.

Zur Verdauung der Kohlenhydrate dienen verschiedene Enzyme. Die Amylasen, die im Speichel und in dem Sekret vorkommen, das von der Bauchspeicheldrüse in den Darm abgesondert wird, spalten Stärke, Dextrin und Glykogen in Maltose, einen Zucker mit zwölf Kohlenstoffatomen. Andere Enzyme setzen die Zucker mit zwölf Kohlenstoffatomen in solche mit sechs Kohlenstoffatomen um. Maltase spaltet Maltose zu Glucose; Saccharase, auch Invertase genannt, baut Rübenzucker zu Glucose und Fructose ab; und Lactase zerlegt Lactose in Glucose und Galactose.

Die Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen, die bei der Verdauung der Kohlenhydrate entstehen, werden durch die Wand des Dünndarmes in winzige Blutgefäße aufgenommen und gelangen von dort in die große Portalvene, die zur Leber führt. Dort werden sie in eine einzige Verbindung umgesetzt, das Glykogen (siehe Stärke), das in der Leber auch gespeichert wird. Glykogen ist ständig verfügbar; bei Bedarf wird es wieder zu Glucose umgesetzt und ins Blut abgegeben. Eines der Endprodukte des Glucosestoffwechsels in den Muskeln ist die Milchsäure, die mit dem Blut wieder in die Leber gelangt und dort teilweise erneut in Glykogen verwandelt wird. Steht jedoch ausreichend Sauerstoff zur Verfügung, wird die Glucose in den Körperzellen zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut, wodurch lebenswichtige Energie gewonnen wird.

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Enzyme und Hormone

Die Umwandlung von Glucose in Glykogen und umgekehrt wird von verschiedenen Enzymen katalysiert. Phosphorylase sorgt für die Freisetzung von Glucose-1-Phosphat aus dem Glykogen; verstärkt wird diese Reaktion durch die Hormone Adrenalin und Glucagon. Das Glucose-1-Phosphat wird zu Glucose-6-Phosphat umgesetzt, das dann entweder abgebaut oder in freie Glucose umgewandelt wird, die ins Blut gelangt. Die Aufnahme von Glucose durch die Zellen wird vom Insulin angeregt. Bevor die Glucose genutzt werden kann, wird sie von der Hexokinase zu Glucose-6-Phosphat umgesetzt, das dann im Stoffwechsel abgebaut oder (in Leber und Muskeln) in Uridin-Diphosphat-Glucose verwandelt wird. Von dieser letztgenannten Verbindung wird die Glucose ins Glykogen übertragen, eine Reaktion, die von der Glykogensynthetase katalysiert und vom Insulin stimuliert wird. Daneben sind auch die Hormone von Nebennierenrinde und Hypophyse sowie das Thyroxin über bisher nicht bekannte Mechanismen an der Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels beteiligt.

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Hyperglykämie und Glucosurie

Wenn der Organismus zu viel Wachstumshormon oder zu wenig Insulin produziert, steigt der Blutzuckerspiegel zu stark an – ein Zustand, den man auch Hyperglykämie nennt. Bei der Hyperglykämie können die Blutzuckerwerte auf mehr als das Zehnfache der normalen Glucosekonzentration ansteigen. Die Hyperglykämie ist als solche nicht tödlich, aber sie ist Symptom einer schweren Krankheit, des Diabetes mellitus (Zuckerkrankheit). Ihre Ursache ist manchmal auch ein Tumor oder eine andere Störung der Bauchspeicheldrüse, die zu verminderter Insulinproduktion führt.

Diabetiker sterben nicht an der Hyperglykämie, aber ohne tägliche Insulininjektionen können sich durch den veränderten Fettstoffwechsel freie Fettsäuren und Ketonkörper ansammeln, die den pH-Wert des Blutes erniedrigen, es also „übersäuern”. Der Organismus eines Diabetikers nutzt nämlich Fette als Ersatz für den Zucker, den er nicht verwerten kann. Darüber hinaus findet in den Körperzellen ständig Fettabbau (Lipolyse) statt, der durch Insulin gehemmt wird. Bei großem Insulinmangel entfällt diese „Bremse”, und es entstehen viele freie Fettsäuren und – bedingt durch gleichzeitig erhöhte Glucagonausschüttung – auch viele Ketonkörper. Im schlimmsten Fall kommt es zu einem ketoazidotischen Koma, bei dem die Übersäuerung des Blutes mit intravenöser Insulin- und oft auch Bicarbonatzufuhr bekämpft werden muss. Bei Typ-2-Diabetikern ist meist noch genügend Insulin vorhanden, um die Lipolyse zu hemmen. Jedoch besteht hier die Gefahr eines hyperosmolaren Komas mit akutem Flüssigkeitsmangel und zu niedrigem Blutdruck infolge der erhöhten Glucoseausscheidung im Urin.

Steigt nämlich der Blutzuckerspiegel über eine bestimmte Schwelle, dann wird der Überschuss von den Nieren aus dem Blut entfernt und mit dem Harn ausgeschieden. Enthält der Harn Zucker, spricht man von Glucosurie; sie ist zwar ein wichtiges Symptom des Diabetes, findet sich aber bei Zuckerkranken nicht immer; andererseits kann sie unmittelbar nach einer reichhaltigen Mahlzeit auch bei gesunden Menschen auftreten.

Der entscheidende Test bei einem Verdacht auf Diabetes ist die Glucosetoleranz: Nach Aufnahme einer standardisierten Menge Glucose steigt der Blutzuckerspiegel sowohl beim Gesunden als auch beim Zuckerkranken an; beim Diabetiker bleibt er aber längere Zeit auf dem hohen Wert, während er beim Gesunden abnimmt, weil die Glucose schnell in Glykogen umgewandelt wird. Injiziert man zu viel Insulin, sinkt der Blutzuckerspiegel zu weit ab; diesen Zustand bezeichnet man als Hypoglykämie oder – bei starker Ausprägung – als hypoglykämischen Schock.