Verdauung und Resorption: Magen & Darm

4.
Grundlagen des Stoffwechsels

4.2 Verdauung und Resorption
Magen / Darm –

 

Zusammenfassung Verdauung Mund / Magen

Durch die Verdauungstätigkeit im Magen werden
die Proteine der Nahrung in
Peptidfragmente zerlegt (siehe Abb.4.40).
Der saure pH fördert außerdem die Säurehydrolyse
der Peptidbindungen der Eiweiße sowie der glycosidischen Bindungen
der Kohlenhydrate. Die Tätigkeit
der Amylase aus dem Speichel wird durch die sauren Bedingungen des
Magens gestoppt. Kohlenhydrate
sind wegen der relativ geringen Verweildauer im Mund nur teilweise
gespalten. Fette sind durch
die gering Aktivität der Zungen- und Magen-Lipase kaum anverdaut.

Space Somit gelangt ein Speisebrei
mit teilweise gespaltenen Polysacchariden (Stärke) und teilweise
gespaltenen Proteinen in den Dünndarm. Hier findet nun die
umfangreichste Verdauungtätigkeit im Verdauungstrakt statt.

Darm

Der menschliche Darm gliedert sich
in zwei wesentliche Teile:

  • Dünndarm und
  • Dickdarm

Der Dünndarm
ist 3,5 bis 5 m lang und besitzt einen Durchmesser von 2,5 bis 3
cm. Er besteht aus drei Abschnitten:

  1. Zwölffingerdarm (Duodenum,
    ca. 20 -30 cm)
    )
  2. Leerdarm (Jejunum)
  3. Krummdarm (Ileum)

Der Zwölfingerdarm (= Duodenum)
beginnt mit dem Pförtner (Pylorus) und ist an der rückwärtigen
Bauchwand befestigt. In den Zwölffingerdarm münden in
einer gemeinsamen Öffnung (= Papille) der Ausfuhrgang
der Bauchspeicheldrüse (Pankreas)
und der Gallengang von der
Leber.

papil - Verdauung und Resorption: Magen & Darm
Tritt die Nahrung vom Magen in den Darm ein,
wird durch hormonelle und nervöse Beeinflussung die Gastrin-Sekretion
im Magen gehemmt, was zu einer Verminderung der HCl-Ausschüttung
führt.

Die Bauchspeicheldrüse
(= Pancreas) ist eine recht große, exokrine Drüse ( ca.
15 cm), deren Zellen Drüsenkanäle bilden (=Acini), die
Verdauungsenzyme zur Spaltung
der verschiedensten Makromoleküle produzieren. Diese gelangen
durch Exozytose über die Ausfuhrgänge in den Dünndarm.

Die Zellen der Ausführgange bilden in so großer Menge
HCO3-Ionen
und Wasser
, daß der saure Speisebrei aus dem Magen
neutralisiert wird. Die Hydrogencarbonat-Produktion geschieht dort
durch das Enzym Carboanhydrase. Dieses
Enzym katalysiert die Reaktion von CO2 und Wasser zu
Hydrogencarbonat und umgekehrt:

hco3m - Verdauung und Resorption: Magen & Darm

Die Famile der Carboanhydrasen
(Abb. 4.45) sind Metalloenzyme aus
einer einzigen Peptidkette bestehend, die Zink
als Kofaktor enthalten. Ihre katalytische Aktivität ist mit
106 Reaktionen /Sekunde enorm hoch. Sie sind in vielen
Geweben, auch des Gastrointestinaltraktes (Speicheldrüsen,
Speiseröhre, Magen, Darm
) vorhanden.

Insgesamt werden pro Tag ca.
1,5 Liter Sekret
durch die Anregung der Hormone Sekretin
und Cholecystokinin
( werden beide von Epithelzellen der Dünndarmschleimhaut gebildet)
produziert.
Auf der Oberfläche der Bauchspeicheldrüse liegen einige
Zellen in Inseln eingestreut (= Langerhanssche
Inseln
), die u.a. Hormone zur Blutzuckerregelung wie
Insulin
und Glucagon
bilden.

Die Verdauungsenzyme können in 3 Gruppen eingeteilt
werden:

  • kohlenhydratspaltende Enzyme:
    Amylase
  • proteinspaltende Enzyme:
    Trypsin, Chymotrypsin, Carboxypeptidase, Elastase
  • fettspaltende Enzyme:
    Lipase, Cholesterinesterase, Phopholipase

Daneben werden noch ein Menge anderer Verdauungsenzyme wie Ribonuklease,
Deoxyribonuklease zur Spaltung von RNA und DNA und Gelatinase
zum Abbau von Bindegewebsproteinen hergestellt.

Verdauung der Kohlenhydrate im Duodenum

Die Pankreas-Amylase
übernimmt den hauptsächlichen Anteil der Verdauung der
Stärke und anderer verdaubarer Nahrungspolysaccharide. Endprodukte
sind Glucose, Maltose und Oligosaccharide (Dextrine).
Die katalytische Wirkung ist schon bei der Spiechelamylase besprochen
worden. Dabei wird das Amylopektin der Stärke bis auf die 1,6-glycosidische
Bindung aufgespalten.

amylop4 - Verdauung und Resorption: Magen & Darm

Die weitere Verdauung übernehmen
membrangebundene Enzyme der Dünndarmschleimhaut. (siehe
Abb.4.47). ,Dabei gibt es Enzyme für die verschiedenen Kohlenhydrattypen:
verschiedene Disacharidasen wie Maltase,
Saccharase, Lactase
oder 1,6-Glucosidase usw.
zerlegen die abgespaltenen Dextrine und 1,6-Fragmente aus Stärke
bzw. Milchzucker, Saccharose zu den Monosacchariden,
Glucose, Fructose und Galactose.

disacc3 - Verdauung und Resorption: Magen & Darm

Verdauung der Proteine im Duodenum

Ein ganze Serie von Proteasen spaltet die Nahrungsproteine
in kleine Peptidfragmente und danach in Aminosäuren. Die wichtigsten
sind Trypsin, Chymotrypsin,
Carboxypeptidase und Elastase.
Trypsin und Chymotrypsin
sind Endopeptidasen, die Proteine im
Inneren der Polypeptidkette spalten. Die Fragmente werden dann durch
die Carboxypeptidase und die Aminopeptidase des Dünndarms (=
Exopeptidase) in Aminsäuren gespalten.
Alle pankreatischen Proteasen werden wie Pepsin als inaktive Vorstufen
produziert und später aktiviert (siehe Abb.4.47)
.

protea2 - Verdauung und Resorption: Magen & Darm

Trypsin, Chymotrypsin und Elastase gehören
zu den Serin Proteasen und besitzen eine sehr ähnliche
Tertiärstruktur mit His-57 in blau,
Asp-102 in rot und Ser-195
in orange
(Abb. 4.48) in der
aktiven Stelle. Trotzdem spalten sie an unterschiedlichen Stellen
in der Polypeptidkette:

  • Trypsin Arg
    Lys
  • Chymotrypsin
    Phe Tyr Trp
  • ElastaseAla
    Ser Val Thr

Dies liegt an den unterschiedlichen Substrat-bindenden
Taschen der Enzyme an der aktiven Stelle. Auf diese Weise werden
die Proteinfragmente in viele kleine Oligopeptide gespalten.

Beim Chymotrypsin wird das Substrat mit aromatischen
Ring z.B. von Phe in einer hydrophoben Tasche gebunden. Das
Wasserstoffatom der Ser-Hydroxylgruppe wird auf den basischen Histidinring
übertragen. Über einen nukleophilen Angriff auf das Carboxyl-C-Atom
von Phe und einen Protonentransfer auf das Amid-N-Atom wird die Peptidbindung
gespalten und eine Acyl-Bindung zum Ser 195 hergestellt. Statt dem
abgespaltenen Peptid bindet ein Wasserstoffmolekül, das die Acylbindung
spaltet. Das 2. Polypeptidfragment verläßt die aktive Stelle.


Abb.4.40

Proteinverdauung im Magen

prot5 - Verdauung und Resorption: Magen & Darm

 


Abb.4.41

proteinreiche Nahrung

 


prot3 - Verdauung und Resorption: Magen & Darm
 

 


Abb.4.42

Verdauungsorgane beim Duodenum

duod2 - Verdauung und Resorption: Magen & Darm

 


Abb.4.43

Drüsen im Pankreas

pandr - Verdauung und Resorption: Magen & Darm

Abb.4.44

Carboanhydrase (257 As)

carboa - Verdauung und Resorption: Magen & Darm

Bitte Bild anklicken für 3D
(Chime)
Aktive Stelle: His96,119,94,64

 


Abb.4.45

endoskopisches Bild des Duodenums

duodenum - Verdauung und Resorption: Magen & Darm

Abb.4.46

Pankreas Amylase

pamyl - Verdauung und Resorption: Magen & Darm

 


Abb.4.47

membrangebundene Disaccharidasen in der Dünndarmschleimhaut
 

zum genauen Aufbau der Dünndarmschleimhaut siehe
weiter unten.

 


Abb.4.51

Aktivität Trypsin
trypea - Verdauung und Resorption: Magen & Darm
pH-Optimum Elastase: 8,5
pH-Optimum Chymotrypsin: 8

 


Abb.4.48

Aktivierung der Proteasen

 


Abb.4.49

Tertiärstruktur Trypsin – Chymotrypsin – Elastase

chtryel - Verdauung und Resorption: Magen & Darm

Klicken Sie auf das Bild für 3D bei Chymotrypsin


Abb.4.50

Katalyse bei Chymotrypsin

chymotr8 - Verdauung und Resorption: Magen & Darm

Der katalytische Mechanismus von Chymotrypsin
ist schon im Kurs 11 vorgestellt worden.
Die Elastase spaltet das Bindegewebsprotein
Kollagen in kleine Stücke.

Als weitere Verdauungsenzyme des Pankreassaftes
spalten Exopeptidasen wie die Carboxypeptidase A
vom Carboxylende her die Peptidfragmente. Dieses Zink-haltige
Enzym
spaltet bevorzugt an Enden mit den Aminosäureresten
Phenylalanin, Tyrosin, Typtophan (siehe Abb. 4.52)

carboxa1 - Verdauung und Resorption: Magen & Darm


cb1 - Verdauung und Resorption: Magen & Darm
cb2 - Verdauung und Resorption: Magen & Darm

cb3 - Verdauung und Resorption: Magen & Darm

Die Schleimhautzellen (=Enterozyten) des Dünndarms
enthalten wie schon oben erwähnt membrangebundene
Enzyme
. Neben der Enterokinase
gibt es noch verschiedene Aminopeptidasen und
Dipeptidasen, die die Peptidfragmente zusammen
mit den Carboxypeptidasen nahezu vollständig in Aminosäuren
zerlegen

Auch die Aminopeptidasen
enthalten Zink.
(siehe die Aminopeptidase P Abb.
4.53
)

Zusammenfassung Proteinverdauung

prot6 - Verdauung und Resorption: Magen & Darm


Abb.4.52

Trypsin

tryps2 - Verdauung und Resorption: Magen & Darm

Klicken Sie auf das Bild für 3D

Aktive Stelle: Ser 195, Asp 189, His 57


Abb.4.53

Carboxypeptidase A

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Abb.4.54

Aminopeptidase P

apeptdp - Verdauung und Resorption: Magen & Darm

dipep - Verdauung und Resorption: Magen & Darm

 

Weiterführende
Quellen:
Speichel:
http://www.google.de/search?q=saliva+composition&hl=de&lr=&ie=UTF-8&oe=UTF-8&start=10&sa=N
und
http://arbl.cvmbs.colostate.edu/hbooks/pathphys/digestion/index.html

Endoskopie: http://www.gastrolab.net/pawelcom.htm

Muzine: http://www.med.uio.no/dnr/ISOBM/MUC1back.htm
und http://students.washington.edu/jschuman/

Pankreas: http://www.colorado.edu/epob/epob1220lynch/15digest.html

Carboanhydrase:
http://www.worthington-biochem.com/manual/C/CA.html
und http://www.chem.uwa.edu.au/enrolled_students/BIC_sect4/sect4.2.html
oder http://bio.chem.niu.edu/Chem472/Templates/CarbonicAnhydrase/Fall99/chimetask1.htm
Chymotrypsin:
http://www.bio.ph.ic.ac.uk/molbio/mols/chymotrypsin/chymo.fr.html

Serin Proteasen (Elastase): http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc462/462a/NOTES/ENZYMES/serproev_txt.html

Carboxypeptdidase A: http://wbiomed.curtin.edu.au/teach/biochem/gallery/cpagalM.html

Lipase:
http://bssv01.lancs.ac.uk/StuWork/BIOS316/BIOS31600/Lipase/lipase1.htm#The%20active%20site

Fettverdauunghttp://arbl.cvmbs.colostate.edu/hbooks/pathphys/digestion/smallgut/absorb_lipids.html

Dünndarm: http://courseweb.edteched.uottawa.ca/medicine-histology/English/Gastrointestinal/Gastro_Small_Intest.htm

Histologie des Verdauungstraktes:
http://www.brisbio.ac.uk/bblt/law.html

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