Welche Aufgaben haben Lebensmittelinhaltsstoffe in der Ernährung?

Der menschliche Organismus setzt sich aus organischen und anorganischen Verbindungen zusammen. Alle in der Natur vorkommenden Elemente finden sich auch im menschlichen Körper. Er enthält an anorganischen Bestandteilen etwa 60% Körperwasser und 5% Mineralstoffe. Die wichtigsten organischen Bestandteile sind Eiweiße, ca. 20%, Fette, ca. 15% und Kohlenhydrate, ca. 1%. Die Zusammensetzung ändert sich altersabhängig und auch in Abhängigkeit vom Umfang des Fettgewebes.
Die Lebensmittelinhaltsstoffe dienen der Aufgabe, die Körpersubstanzen aufzubauen und zu erhalten sowie Energie bereitzustellen. Energiefreie Inhaltsstoffe zeichnen sich insbesondere durch ihre Funktion als Schutz- und Reglerstoffe aus.
Energie liefern Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße. Alkohol ist ebenfalls Energieträger. Energiefrei sind Mineralstoffe, Vitamine, Ballaststoffe und Wasser. Im aktuellen Sinn sind hierzu auch sekundäre Pflanzenstoffe zu rechnen.

Energiebereitstellung durch Energieträger [18]

Energiehaltige Inhaltsstoffe entstanden durch den Vorgang der Assimilation, durch weitere biochemische Vorgänge in Pflanze und Tier sowie durch Mikroorganismen.
Die energiehaltigen Substanzen werden vom Körper in Form von Molekülen aufgenommen und durch Oxydationsvorgänge wird die Bindungsenergie aus den Grundbausteinen von Kohlenhydraten, Fetten und Eiweißen sowie Alkohol freigesetzt.

Im intermediären Stoffwechsel wird die freigesetzte Energie transformiert

  • in chemische Energie zur Synthese neuer Verbindungen,
  • in elektrische Energie zur Muskelkontraktion
  • in elektrische Energie zur Aktivierung von Gehirn und Nerven
  • in elektromechanische Energie zum Austausch von Stoffen zwischen Zellinnerem und Zellumgebung,
  • in thermische Energie zur Regulation der Körpertemperatur. (Elmadfa/Leitzmann, S. 96)

Der Citrat-Cyclus und die Atmungskette, die zu den Endoxydationsprodukten CO2 und H2O führen, spielen dabei eine zentrale Rolle.
Der biochemische Prozess findet in den Mitochondrien jeder Zelle statt und setzt voraus, dass einerseits Sauerstoff für die Oxydation zur Verfügung steht und dass andererseits entstandenes CO2 und H2O kontinuierlich abgeführt werden.

Die Stoffwechselprozesse zur Energiegewinnung aus den Energieträgern weisen ineinandergreifende Regulationsmechanismen auf. Es ist daher möglich, dass sie sich energetisch gegenseitig bedingt vertreten können.

Der physiologische Brennwert beträgt
für Kohlenhydrate & 410 kcal / 100g
für Fette& 930 kcal / 100g
für Eiweiße& 425 kcal / 100g
für Alkoho& 700 kcal / 100g

Von der physiologisch gewonnenen Energie werden

  • ca. 6% - 10% für Abbau-, Transport-, Umbau- und Speicherungsvorgänge,
  • ca. 60% - 75% für den Stoffwechsel-Grundumsatz,
  • ca. 15% - 30% für körperliche Aktivität in Abhängigkeit von individuellen Gegebenheiten und Anforderungen verbraucht.

Überschüssig aufgenommene Energie wird in Form von Glykogen kurzfristig gespeichert, die langfristige Speicherform ist Fett.

Die energieliefernden Lebensmittelinhaltsstoffe Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße haben weitere Aufgaben im Organismus. Auch Alkohol wird bedingt eine vor Herzinfarkt schützende Funktion zugesprochen.

Für Kohlenhydrate und Fette werden in diesem Kapitel weiter hinten differenzierte Ausführungen gemacht.

Proteine und ihre Aufgaben [19]

Proteine stellen die einzige vom Menschen verwertbare Stickstoffquelle dar. Er ist darauf angewiesen, aus den stickstoffhaltigen Aminosäuren als Bausteine der Eiweiße Organismus- und Zell-spezifische Proteine aufbauen zu können. Biologisch hochwertiges Eiweiß, das die essentiellen Aminosäuren liefert, ist dazu besonders gut geeignet.
Etwa 50% der Proteine bilden das Muskelgewebe, 25% liegen im Bindegewebe, weitere 25% finden sich im Innern der Organe und im Blut. Proteine erfüllen u. a. folgende Funktionen:

  • Als Strukturproteine geben Proteine Geweben und Organen Stabilität.
  • Ihnen obliegt der Transport von Substanzen im Plasma, innerhalb von Zellen und durch Zellmembranen.
  • Das Immun- und Blutgerinnungssystem ist proteinabhängig.
  • Für die Bildung von Hormonen und Enzymen sind Proteine unerläßlich.
  • Proteine sind verantwortlich für Muskelkontraktionen.
  • Sie beeinflussen als Puffer den Säure-Basen-Haushalt.

Nach Biesalski sind nach neueren Erkenntnissen die Aminosäuren Lysin und Threonin essentiell sowie Histidin insbesondere bei Kindern. Einige weitere werden bei bestimmten Krankheitsbildern essentiell bzw. bedingt essentiell.
In den Referenzwerten für die Nährstoffzufuhr 2000 werden als unentbehrliche Aminosäuren für den erwachsenen Menschen Histidin, Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan und Valin genannt. Hiernach ist die Ersetzbarkeit von Cystein und Tyrosin durch Methionin bzw. Phenylalanin in der Diskussion.
Proteine werden nicht gespreichert, sie werden kontinuierlich abgebaut, die Aminosäuren erneut zur Eigensynthese genutzt oder fließen, nachdem der Stickstoff abgespalten wurde, in den Energiestoffwechsel ein. Der Stickstoff wird in Form von Harnstoff im Urin ausgeschieden.

Das Wasser und seine Aufgaben [20]

Der Wasseranteil liegt beim Neugeborenen bei 70%. Mit dem Ansteigen wasserarmer Gewebe wie Fettgewebe mit 30% und Knochengewebe mit 22% sinkt der Wassergehalt des Körpers beim Mann auf 60%, bei der Frau auf 50% bei ausgeprägtem Fettgewebe.
Der große Anteil des Gesamtkörperwassers in den Zellen ermöglicht die Stoffwechselvorgänge. Eine weitere wesentliche Aufgabe besteht darin, den osmotischen Druck der Zellen aufrechtzuerhalten.

Das Wasser ausserhalb der Zellen befindet sich zwischen den Zellen, in Blut und Lymphe sowie transzellulär in Hohlräumen des Organismus wie Verdauungstrakt, Harnblase, Gehirn und Rückenmark. Hier hat das Wasser insbesondere die Aufgaben, Stoffe zu lösen, zu transportieren, Interaktionen zu ermöglichen und harnpflichtige Substanzen auszuscheiden. Wasser ist auch schützende Komponente von Schleimhäuten. Für den Ausgleich von Temperaturen zwischen den Geweben sowie zwischen Körper und Umgebung ist Wasser ebenfalls zuständig.

Die Aufgaben von Mineralstoffen [21]

Die anorganischen Lebensmittelbestandteile liegen im Organismus als Salze bzw. als Anionen und Kationen vor. Sie gehen im Organismus leicht stabile Komplexe ein mit Proteinen, Vitaminen und anderen Wirkstoffen. Ihre Ungleichverteilung ausserhalb und innerhalb der Zellen sind Grundlage von Austauschmechanismen.

Die Essentialität von Mengen- und Spurenelementen ist weiterhin Gegenstand der Forschung.

Die Aufgaben von Calcium sowie von Jod und Eisen werden an anderer Stelle dieses Kapitels beschrieben.

Phosphor/Phosphat sind in organischen Verbindungen Bestandteil von Membranen und Nukleinsäuren in allen lebenden Zellen und haben einen hohen Stellenwert bei der Transformation, Speicherung und Verwertung von Energie. In Verbindung mit Calcium ist Phospor an der Knochenbildung beteiligt.

Magnesium ist u. a. als Cofaktor von vielen Enzymen an fast allen Aufbau- und Abbauvorgängen insbesondere des Energiestoffwechsels beteiligt. Es hat zudem Einfluss auf die Erregbarkeit und Kontraktion von Muskeln. Ausserdem wird es für die Mineralisation von Knochen und Zähnen benötigt.

Sulfat/Schwefel ist Bestandteil der Vitamine Thiamin und Biotin sowie verschiedener Aminosäuren und Zellproteine.
Schwefel aktiviert Enzyme und wirkt entgiftend.

Natrium und Chlorid bestimmen Volumen und osmotischen Druck des extrazellulären Raums. Sie sind u. a. zuständig für den Transport von Ionen über Zellmembranen und für die Wasserbilanz des Körpers. Sie spielen im Säure-Basen-Haushalt und in Verdauungssekreten eine wichtige Rolle.

Kalium ist das bestimmende intrazelluläre Ion und ist u. a. zusammen mit Phosphat und Proteinen verantwortlich für osmotischen Druck und Stoffwechselaktivität innerhalb der Zellen und Wachstum der Zellmasse. Es ist weiterhin beteiligt am Energiestoffwechsel und an Transportvorgängen in Zellmembranen.

Für Fluor bestehen Anhaltspunkte für eine Funktion bei der Mineralisation von Knochen und Zähnen. Es verbessert die Widerstandskraft der Zähne gegen Säureangriff und verbessert die Remineralisation. Es sind auch wachstumsfördernde Effekte im frühen Lebensalter beobachtet worden.

Selen ist Bestandteil verschiedener Proteine, denen antioxidative Eigenschaften zugesprochen werden. Selen ist somit beteiligt am körpereigenen Schutzsystem gegen Krebs aber auch am Immunsystem. Für die Aktivierung des Schilddrüsenhormons sind Selen-haltige Enzyme notwendig.

Für Zink sind beim Menschen zahlreiche abhängige enzymatische Reaktionen bekannt u. a. im Stoffwechsel von Proteinen, Kohlenhydraten, Fetten und Nukleinsäuren sowie im Immunsystem. In jüngster Zeit wird auch eine antioxidative Funktion diskutiert.

Kupfer ist Bestandteil einer Reihe von Enzymen des endogenen antioxidativen Systems. Es wirkt mit am Elektronentransport insbesondere im Eisenstoffwechsel und am Aufbau von Knochenmatrix, Gehirn und Nervengewebe.

Die essentielle Funktion von Mangan beruht auf der Beteiligung an und der Aktivierung von zahlreichen Enzymen u. a. im Glucosestoffwechsel. Es ist an der Synthese von Knorpel und Knochen beteiligt.

Molybdän aktiviert Enzyme , die u. a. den Stoffwechsel von Purinnucleotiden und von Schwefel - haltigen Aminosäuren mitbestimmen.

Cobalt ist zentraler Bestandteil von Vitamin B12 und in dieser Funktion essentiell. Es kann unspezifisch eine Reihe von Enzymen aktivieren.

Chrom ist ein Spurenelement, das offensichtlich der Verbesserung der Glucosetoleranz dient, jedoch fehlen sichere Beweise dafür.

Die Aufgaben von Vitaminen [22]

Die Vitamine, ihre Derivate und Vorstufen können überwiegend nicht vom Menschen gebildet werden. Sie haben als organische Substanzen einzeln oder zusammenwirkend, essentielle Aufgaben im Stoffwechselgeschehen.

Die Aufgaben von Vitamin E (Tocopherole) werden an anderer Stelle in diesem Kapitel dargelegt.

Vitamin A (Retinol) ist unerlässlich für den Sehvorgang, für Wachstum, für Differenzierung von Zellen und Gewebe insbesondere von Haut und Schleimhäuten sowie für das Immunsystem.

Carotinoide haben als pflanzliche Substanzen z. T. eine Provitamin A - Aktivität, das gilt insbesondere für das ß-Carotin. Darüberhinaus hat ß-Carotin wie nahezu alle anderen Carotinoide, als sogenanntes Antioxidans die eigenständige Aufgabe, freie Radikale mit extrem hoher Reaktionsfähigkeit unschädlich zu machen.
Radikale können lebenswichtige Zellbestandteile schädigen. Diese können u. a. zu Fehlfunktionen der Zellen führen, die bei der Zellteilung auch weitergegeben werden. ß-Carotin kann z. B. in der Haut durch UV-Licht gebildetes Sauerstoffperoxid inaktivieren und so zur Prävention verschiedener Krebsarten beitragen.
Diese antioxidative Wirkung in Zellgeweben wird auch den Vitaminen E und C zugesprochen sowie weiteren bioaktiven Stoffen in pflanzlichen Lebensmitteln.

Die Vitamin D-Gruppe besteht aus mehreren biologischen Wirkstoffen, die als Cholecalciferole bezeichnet werden.
Das Vitamin D3, das in tierischen und menschlichen Organismen unter UV-Einstrahlung gebildet wird, ist die wichtigste aktive Verbindung. Sie dient der Aufrechterhaltung der Calcium- und Phosphat-Homöostase insbesondere bei der Mineralisation und Demineralisation der Knochen. Vitamin D wird auch eine aktivierende Funktion auf Muskel-, Pankreas- und Hautzellen sowie Zellen des Immunsystems zugesprochen.

Unter Vitamin K versteht man eine Reihe von Verbindungen in Pflanzen und Tieren. Es kann auch durch die Darmflora gebildet werden.
Vitamin K wird als Koagulationsvitamin bezeichnet. Es wirkt mit bei der Blutgerinnung, der Synthese von Proteinen und hemmt in der Postmenopause die Mobilisierung des Calciums aus den Knochen.

Vitamin C, Ascorbinsäure und abgeleitete Verbindungen haben sehr vielfältige Aufgaben. Sie sind Cofaktor von Enzymen und wirken u. a. mit beim Aufbau von Collagen und Hormonen, sind mitverantwortlich für Entgiftungsreaktionen in der Leber und die Bildung von Gallensäuren. Sie fördern die Eisenresorption und hemmen die Nitrosaminbildung im Verdauungstrakt. Weiterhin wird das Immunsystem gestärkt.
Auf die antioxidative Wirkung von Vitamin C wurde bereits eingegangen.

Die Aufgaben von Vitamin B1, Thiamin, beruhen insbesondere auf seiner Rolle als Coenzym bei der Energiegewinnung aus Kohlenhydraten im Zellstoffwechsel.

Vitamin B2, Riboflavin, hat ebenfalls als Coenzym katalysierende Funktion im Stoffwechsel von Eiweißen, Fetten und Kohlenhydraten.

Niacin kann aus der Aminosäure Tryptophan gebildet werden und wirkt u. a. als Coenzym verschiedener Enzyme im Stoffwechsel von Kohlenhydraten, Eiweißen und Fetten.

Pantothensäure wird zum Aufbau von Coenzym A verwendet, das unzählige Reaktionen im Stoffwechsel ermöglicht, z. B. die der Energiegewinnung aus Fetten, Kohlenhydraten und verschiedenen Aminosäuren sowie der Synthese von Fettsäuren und Steroidderivaten. Das Vitamin wirkt ebenfalls bei der Entgiftung in der Leber mit.

Biotinabhängige Enzyme haben Schlüsselfunktionen beim Aufbau von Glucose und Fettsäuren sowie beim Abbau verschiedener Aminosäuren. Außerdem ist Biotin an Entgiftungsreaktionen in der Leber beteiligt.

Vitamin B6, Pyridoxin, ist in Form verschiedener Verbindungen Coenzym zahlreicher Enzyme vor allem im Aminosäurestoffwechsel. Außerdem werden von Vitamin B6 Funktionen des Nervensystems, die Immunabwehr und die Hämoglobinsynthese beeinflußt.

Vitamin B12, Cobalamin, ist als Coenzym an wichtigen Stoffwechselvorgängen beteiligt. Eine besondere Rolle spielt dieses Vitamin bei der Blutbildung.

Folsäure und Folate sind in ihrer Funktion als Coenzym Überträger wichtiger chemischer Gruppen z. B. beim Abbau von Aminosäuren oder beim Aufbau von roten Blutkörperchen und Nucleinsäuren. Folsäure und Folate sind somit an allen Zellteilungs- und Wachstumsprozessen beteiligt und erhalten besondere Bedeutung vor und während der Schwangerschaft. Bei der Blutbildung spielt das Zusammenwirken insbesondere mit Eisen und Vitamin B12 eine Rolle.