Ein informativer Artikel mit Details über Zucker.
Zucker zählt zu den organischen Verbindungen. Es existieren anorganische und organische Verbindungen.
Organische Verbindungen sind meist dadurch gekennzeichnet, dass sie überwiegend aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehen. Sie werden durch kovalente Bindungen stabilisiert.
Natürlich gibt es Ausnahmen bei den organischen Verbindungen, ebenso anorganische Verbindungen mit Kohlenstoff, etwa Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid. Unter anorganischen Verbindungen versteht man ansonsten üblicherweise Stoffe wie Wasser, Salze, Säuren und Laugen.
Beide Arten sind für den Stoffwechsel erforderlich und kommen fast überall und jederzeit vor.
Kohlenhydrate
Kohlenhydrate entstehen in grünen Pflanzen während der Photosynthese aus Kohlendioxid und Wasser. Sonnenlicht wird dabei als chemische Energie in Kohlenhydraten gespeichert und steht allen Lebewesen zur Verfügung.
Kohlenhydrate bestehen aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Im menschlichen Organismus dienen Kohlenhydrate vor allem als rasch verfügbare Energiequelle. Man unterscheidet Kohlenhydrate nach ihrer Kettenlänge in Monosaccharide, Disaccharide und Polysaccharide.
Rolle. Man teilt die Kohlenhydrate nach ihrer Größe in Monosaccharide, Disaccharide und Polysaccharide ein.
Monosaccharide
Monosaccharide (mono = eins, Saccharide = Zucker) sind einfache, ringförmige Zuckermoleküle. Der bedeutendste Einfachzucker im menschlichen Körper ist die Glukose (Traubenzucker, Dextrose). Glukose kann von den meisten Zellen zur Energiegewinnung genutzt werden. Daher ist Glukose der wichtigste Energieträger des menschlichen Organismus. Weitere häufige Monosaccharide sind Fruktose (Fruchtzucker) und Galaktose.
Disaccharide
Reagieren zwei Einfachzucker miteinander, so entsteht ein Zweifachzucker (di = zwei). Der Rohr- oder Rübenzucker (Saccharose) wird aus Glukose und Fruktose gebildet, der Milchzucker (Laktose) aus Glukose und Galaktose. Disaccharide können wieder in Einfachzucker gespalten werden.
Polysaccharide
Manche Disaccharide können sich mit weiteren Einfachzuckern verbinden und so Polysaccharide („Vielfachzucker“) bilden. Dabei entstehen sehr große Moleküle, sogenannte Makromoleküle. Ein Beispiel dafür ist Stärke (Amylose). Sie stellt die pflanzliche Speicherform der durch Photosynthese gebildeten Glukose dar. Kartoffeln, Mais und Weizen enthalten besonders viel Stärke.
Isst der Mensch eine stärkehaltige Mahlzeit, wird die Stärke im Verdauungstrakt wieder zerlegt. Sie wird in kleinere Bruchstücke gespalten. Dabei entsteht erneut Glukose, die anschließend ins Blut aufgenommen wird. der Mensch eine stärkehaltige Mahlzeit zu sich, so wird die Stärke im Verdauungstrakt wieder in kleine Bruchstücke zerlegt. Dabei entsteht wieder Glukose, die ins Blut aufgenommen wird.
Energiegewinnung aus Glukose
Als „Brennstoff“ für die lebensnotwendige Energiegewinnung bevorzugen die meisten menschlichen Zellen die Glukose. Die Hauptschritte der Energiegewinnung werden deshalb anhand des Glukoseabbaus dargestellt.
Der Abbau der Glukose lässt sich in vier Schritte unterteilen:
1. Die Glykolyse – Energieerzeugung ohne Sauerstoff.
Man fasst unter der Glykolyse zahlreiche enzymatische Reaktionen zusammen.
Hierbei wird ein Glukosemolekül letztlich in zwei Moleküle Pyruvat (Brenztraubensäure) zerlegt. Die unmittelbare Energieausbeute dieser Reaktionskette ist gering: pro Glukosemolekül entstehen zwei ATP. Andererseits hat die im Zytoplasma ablaufende Glykolyse den Vorteil, dass Zellen auch ohne Sauerstoff Energie gewinnen.
Bei Sauerstoffmangel können vor allem Skelettmuskelzellen Pyruvat nicht weiter abbauen. Es wird zu Laktat (= Milchsäure) umgewandelt und über den Blutkreislauf zur Leber transportiert. Interessanterweise können Herzmuskelzellen bei starker Belastung einen Teil ihres Energiebedarfs aus Laktat decken.
ATP bedeutet Adenosintriphosphat. ATP ist die wichtigste energiereiche Verbindung innerhalb der Zelle. Es ist eine in allen Lebewesen vorkommende Substanz, die als Energiequelle vieler Stoffwechselprozesse dient. ATP entsteht bei energieerzeugenden Vorgängen aus Adenosindiphosphat (ADP).
2. Acetyl-Coenzym-A – das zentrale Molekül des Energiestoffwechsels
Bei ausreichender Sauerstoffversorgung gelangt Pyruvat, das Endprodukt der Glykolyse, in das Mitochondrium und reagiert mit Coenzym A zu Acetyl-Coenzym-A, kurz Acetyl-CoA. Acetyl-Coenzym-A ist ein wesentliches Molekül im gesamten Energiestoffwechsel.
Bei genügend Sauerstoff gelangt das glykolytische Endprodukt Pyruvat in das Mitochondrium und verbindet sich mit Coenzym A, kurz CoA-SH, der Wirkform der Pantothensäure, zu Acetyl-Coenzym-A, also Acetyl-CoA. Dabei entsteht zwar kein ATP direkt, jedoch kann das gebildete NADH, die reduzierte Form von NAD (Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid), später in der Atmungskette energieliefernd genutzt werden.
3. Der Zitratzyklus
Der Citratzyklus ist die nächste Reihe enzymatisch gesteuerter Reaktionen, die in Mitochondrien ablaufen.
Pro eingetretenem Acetyl-CoA entsteht ein energiereiches Phosphat (Guanosintriphosphat, kurz GTP), das direkt ADP zu ATP umwandeln kann. Zusätzlich entstehen die reduzierten Coenzyme NADH und FADH2 (FAD = Flavin-Adenin-Dinucleotid), die erst in der Atmungskette genutzt werden (Einzelheiten zu Oxidation und Reduktion s.u.).
Der Citratzyklus ist jedoch nicht nur für den Glukoseabbau wichtig. Vielmehr münden viele katabole Stoffwechselwege indirekt oder direkt in den Citratzyklus, und gleichzeitig stellt der Citratzyklus Ausgangssubstrate für zahlreiche anabole Stoffwechselreaktionen bereit. Er wird daher mit Recht als „Drehscheibe“ des Stoffwechsels bezeichnet.
4. Die Atmungskette
In den zuvor beschriebenen Phasen des Glukoseabbaus binden Reduktionsreaktionen Elektronen an Coenzyme. Die Atmungskette, also Elektronentransportkette, überträgt diese Elektronen anschließend auf Sauerstoff. Dabei entstehen Wasser und große Energiemengen, die zur Neubildung von ATP genutzt werden.
Schrittweise entstehen aus einem Glukosemolekül insgesamt 36 Moleküle ATP.
Unter „Regeneration von ATP“ versteht man, dass ADP mit Phosphat verknüpft, also phosphoryliert wird. Atmungskette und ATP-Phosphorylierung sind direkt gekoppelt, weshalb man oxidative Phosphorylierung sagt. Während der Atmungskette gelangen die Elektronen aus NADH und FADH2 nicht direkt auf Sauerstoff. Sie werden vielmehr nacheinander von Enzymen und Coenzymen aufgenommen und weitergereicht. Auf diese Weise entstehen auch die 36 ATP-Moleküle schrittweise.
Der oxidative Abbau, das heißt Abbau mit Sauerstoff, von Kohlenhydraten und Fetten liefert Energie. Dieser energiegewinnende Prozess des oxidativen Abbaus wird zusammenfassend als Zellatmung bezeichnet. Für Glukose ergibt sich beispielsweise folgende Bilanz:
Glukose + 36 ADP + 36 P + 6 O2 » 6 CO2 + 6 H2O + 36 Glykogen, beziehungsweise korrekt ATP.
Ist der menschliche Körper ausreichend mit Glukose versorgt, kann er sie in Glykogen speichern. Menschliches Glykogen und pflanzliche Stärke sind ähnlich aufgebaut und bestehen nur aus Glukoseketten. Glykogen wird vor allem in Leber und Skelettmuskulatur gespeichert.
Ein Erwachsener kann insgesamt rund 400 g Glykogen speichern, entsprechend ungefähr 2000 kcal. Davon befinden sich etwa 150 g in der Leber und ungefähr 250 g in der Muskulatur. Werden dennoch weitere Kohlenhydrate aufgenommen, etwa durch dauernden Süßigkeitenkonsum, entsteht Überschuss. Diese überschüssige Glukose wird in Fett umgewandelt und in Leber sowie Fettgewebe abgelagert. Die betreffende Person nimmt an Körpergewicht zu und die Leber verfettet.
Glukoneogenese (Neubildung von Glukose)
Gehirn und Erythrozyten können ausschließlich Glukose zur Energiegewinnung nutzen. Zudem ist Glukose der einzige Stoff, den Skelettmuskeln bei Sauerstoffmangel zur Energiegewinnung einsetzen können. Die Glukoneogenese, also die Bildung von Glukose aus Nicht-Kohlenhydrat-Vorstufen wie bestimmten Aminosäuren, Glyzerin oder Laktat, gewährleistet ausreichende Glukosespiegel auch ohne Nahrungsaufnahme und bei entleerten Glykogenspeichern.
Man kann die Glukoneogenese als Umkehrprozess der Glykolyse betrachten.
Die Glukoneogenese läuft jedoch nur unter Energieverbrauch ab, also unter Einsatz von ATP.
Etwa 90% der Glukoneogenese erfolgen in der Leber, ungefähr 10% in der Nierenrinde.
Zucker im Alltag
Zucker gilt vielen als rasche Energiequelle und Stimmungsaufheller. Durch Insulinausschüttung fördert er kurzfristig die Serotoninproduktion im Gehirn, wodurch sich das Wohlbefinden steigert. Dieser positive Effekt ist jedoch nur von kurzer Dauer. Anschließend folgt oft ein schneller Blutzuckerabfall mit Müdigkeit, Konzentrationsproblemen, Nervosität oder Heißhunger – der bekannte „Sugar Blues“. Besonders kritisch ist der Verzehr von Haushaltszucker in Süßigkeiten, Softdrinks und Auszugsmehlen, denen natürliche Begleitstoffe wie Ballaststoffe, Vitamine und Mineralstoffe fehlen.
Untersuchungen belegen, dass hoher Zuckerkonsum nicht nur das Kariesrisiko erhöht, sondern auch mit Übergewicht, Diabetes sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen verbunden ist. Ebenso steigt die Gefahr für eine vorzeitige Sterblichkeit. Auch das Gehirn kann Schaden nehmen: Gedächtnis und geistige Leistungsfähigkeit können nachlassen, bei Kindern werden Zusammenhänge mit Hyperaktivität und neurokognitiven Defiziten diskutiert. Zusätzlich können starke Schwankungen des Blutzuckerspiegels das Immunsystem schwächen und die Anfälligkeit für Infektionen erhöhen.
Zucker ist jedoch nicht gleich Zucker. Natürlicher Zucker aus Früchten oder vollwertigen Lebensmitteln wird durch Ballaststoffe und Mikronährstoffe „gebremst“. Dadurch steigt der Blutzuckerspiegel langsamer und kontrollierter an. Haushaltszucker hingegen – eine Mischung aus Glucose und Fructose – gelangt häufig in großen Mengen und ohne schützende Begleitstoffe in den Körper. Das begünstigt starke Blutzuckerspitzen, hohe Insulinfreisetzung, Unterzuckerungsphasen und langfristig Stoffwechselstörungen. Überschüssige Fructose wird zudem leicht in Fett umgewandelt und kann erhöhte Blutfettwerte sowie eine Fettleber fördern.
