Die Kraft der Ernährung (Teil 6): Wie funktioniert Ernährung?

Molekulare Mechanismen hinter Ernährung und Krankheit

Die Ernährungsweise ist einer der wichtigsten beeinflussbaren Risikofaktoren für alle möglichen Arten von Krankheiten. Wie genau können Lebensmittel unsere Gesundheit beeinflussen? In diesem Artikel beleuchtet PAN einige der Grundmechanismen der Wirkung unserer Ernährung auf den Stoffwechsel.

Du bist, was du isst

Es klingt vielleicht sentimental, aber es ist wahr: Essen ist Leben. Nahrung und deren einzelne Bestandteile sind die Grundstoffe für unsere Struktur und unseren Stoffwechsel. Ohne Ernährung gibt es keine Entwicklung, kein Wachstum, keine Wärme, keine Bewegung, keine Reproduktion und keine Kognition.

Verglichen mit anderen Risikofaktoren wie Rauchen, Bewegungsmangel oder UV-Strahlung ist die Ernährung sehr komplex. Wir konsumieren viele verschiedene Lebensmittel und jedes Lebensmittel besteht aus Tausenden von Stoffen, von denen alle möglicherweise eine Auswirkung auf unseren Körper haben. Außerdem wirken diese Stoffe im Regelfall nicht individuell, sondern stets als Stoffgemisch, wobei jedes Gemisch seine eigenen spezifischen Effekte hat.

Lebensmittelkomponenten können grundlegend zunächst in zwei Kategorien unterteilt werden: Makro- und Mikronährstoffe.

Food

Makronährstoffe und ihre Funktionen

Makronährstoffe wie Proteine, Kohlenhydrate und Fette haben eines gemeinsam: Sie liefern dem Körper Energie. Mikronährstoffe wie Vitamine oder Mineralien spielen eher eine unterstützende Rolle im Stoffwechsel, das heißt, sie fungieren als Cofaktoren oder Coenzyme (1).

Kohlenhydrate sind die primäre Energiequelle unseres Körpers. Sie werden darüber hinaus für die DNA- und RNA-Synthese verwendet. Zusammen mit Proteinen und Fetten bilden sie außerdem Glykoproteine und Glykolipide – Stoffe, die eine Rolle in der Zellkommunikation und Signaltransduktion spielen (1).

Proteine sind gleichzeitig Energiequelle sowie Bausubstanz für unseren Körper. In Enzymform funktionieren sie als „Werkzeuge“ unseres Stoffwechsels, was sie für den Ablauf jeder biochemischen Reaktion essentiell macht. Als Antikörper sind sie ein fundamentaler Bestandteil unseres Immunsystems. Als Strukturproteine bestimmen sie den Aufbau unseres Gewebes und unsere gesamte Morphologie. Die zwei wichtigen Proteine Myosin und Aktin bilden unsere Muskeln und werden folglich für unsere Körperbewegungen gebraucht. Proteine sind außerdem wichtig für den Molekültransport von beispielsweise Sauerstoff oder Eisen, und sie bilden Gerinnungsfaktoren, die für die Hämostase gebraucht werden (1).

Fette bzw. Fettsäuren dienen als Energiespeicher für unseren Körper. Wir brauchen sie außerdem für die Absorption fettlöslicher Vitamine wie Vitamin E, D, K und A. Sie sind Bestandteile von Zellmembranen und der Myelinscheide und fungieren als schützendes Polster für unsere Organe (1).

Mikronährstoffe und ihre Rolle im Stoffwechsel

Mikronährstoffe wie Vitamine, Mineralien oder sekundäre Pflanzenstoffe sind Substanzen, die verdaut werden müssen, allerdings keine Energie bereitstellen. Sie sind essentiell für ana- und katabolische Reaktionen unseres Stoffwechsels. Bei der enormen Vielfalt von Mikronährstoffen kann hier nur auf ein paar Beispiele eingegangen werden, die stellvertretend für die zahlreichen unterschiedlichen Funktionen dieser Mikronährstoffe stehen.

  • Jod ist ein chemisches Element, das für die Synthese der wachstumsregelnden Schilddrüsenhormone Thyroxin und Triiodthyronin benötigt wird (1)
  • Eisen ist ein essentielles Spurenelement für die Hämatopoese. Es ist das zentrale Atom des Häm-Cofaktors in Hämoglobin und Myoglobin und deshalb für den Sauerstofftransport erforderlich. Es ist auch ein wichtiger Bestandteil vieler Enzyme und Teil der Elektronentransportkette im Mitochondrium, die der ATP Produktion dient (1)
  • Vitamin K ist essentiell für die Aktivierung von Gerinnungsfaktoren, und es ist am Knochenstoffwechsel beteiligt (1)(2)
  • Omega-3-Fettsäuren werden zur Funktion von Zellmembranen und für die Synthese entzündungshemmender Prostaglandinen benötigt (1)(3)
  • L-Arginin ist eine semiessentielle Aminosäure, die Vorläufer für die Synthese von Stickoxid ist, einem wichtigen sekundären Botenstoff, der an der Vasodilatation und der Blutdruckregulierung beteiligt ist (1)(4)

Wie ein Zuviel oder Zuwenig unseren Körper beeinflusst

Wie man anhand der großen Funktionsvielfalt der Makro- und Mikronährstoffe erkennen kann, können sowohl Defizit als auch Exzess zu Störungen des Stoffwechsels führen.

Verhungern, also ein Defizit von Makro- und Mikronährstoffen, verursacht Kachexie und schlussendlich den Tod. Bei Kindern kann Mangelernährung zu Wachstumsstörungen führen.

In moderater Form kann Mangelernährung Müdigkeit, Apathie und Depressionen, Muskelatrophie, verlangsamte Wundheilung, ein erhöhtes Infektionsrisiko und ein verringertes Herzzeitvolumen verursachen.

Anämie (z.B. Eisen-, Vitamin B12-, Folsäuremangel), Osteoporose (z.B. Calcium, Vitamin D), Kropf oder Kretinismus (Jod), funikuläre Myelose (Vitamin B12, Folsäure), Spina Bifida (Folsäure), Muskelkrämpfe (z.B. Magnesium) und Immunstörungen (Vitamine A, D, E; Zink, Eisen, Selen) sind häufig mit dem Mangel von Mikronährstoffen assoziiert (5). Auch ein Mangel an sekundären Pflanzenstoffen wie Polyphenolen hat Auswirkungen auf die Gesundheit, wie weiter unten erläutert wird.

Überernährung andererseits verursacht Fettleibigkeit, welche das Risiko für Herzkreislauferkrankungen, Krebs und andere Krankheiten erhöht. Der übermäßige Konsum einzelner Stoffe wie z.B. Transfettsäuren (6), Arsen (7), Cadmium (8) und Pyrrolizidinalkaloiden (9) behindert den Stoffwechsel und führt zu gesundheitlichen Problemen.

Die folgenden Abschnitte befassen sich mit den speziellen Wirkungsmechanismen bestimmter Krankheiten, die durch Lebensmittel oder Ernährungsweisen beeinflusst werden können, das heißt mit Zellkommunikation und Signaltransduktion via Hormonen, mit Entzündungsprozessen und mit oxidativem Stress In zwei weiteren Blogartikeln werden die weiteren wichtigen Mechanismen Epigenetikund das Mikrobiomerörtert.

Wie verursacht Überernährung Stoffwechsel- und Hormonstörungen?

Ein übermäßiger Konsum von Lebensmitteln führt schlussendlich zu Adipositas (10). Aus histologischer Sicht ist Adipositas das Vorhandensein einer erhöhten Menge an weißem Fettgewebe. Wegen der Hochregulierung des sympathischen Nervensystems setzen die Adipozyten bei Adipösen durch erhöhte Lipolyse eine große Menge an Fettsäuren frei (11). Diese freien Fettsäuren verursachen oxidativen Stress in verschiedenen Geweben, was zu fehlerhafter Insulinrezeptorfunktion, Insulinresistenz und Hyperglykämie führt. Freie Fettsäuren reduzieren außerdem die Menge genutzter Muskelglukose, was zusätzlich die Entwicklung einer Hyperglykämie unterstützt (12).

Insulin ist ein proatherogenes Hormon, das die Entwicklung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen fördert (13)(14).

Wie kann die Ernährung Krebs verursachen?

Fettgewebe setzt auch Adipokine frei, die durch eine Stimulation des Insulin-like growth factor (IGF-1) und anderer Wachstumshormone die Entstehung von Krebs fördern. Diese unterstützen die zelluläre Proliferation oder Entdifferenzierung mittels mitogener und antiapoptotischer Signalkaskaden (15)(16). IGF-1 verstärkt außerdem die Angiogenese, was das allgemeine Krebswachstum fördert (17). Leptin, eines der gut erforschten Adipokine, hat mitogene, anti-apoptotische und proinflammatorische Eigenschaften, die alle an der Karzinogenese beteiligt sind (18).

Nicht nur weißes Fettgewebe begünstigt Krebs, sondern auch (Pro-)Karzinogene aus unserer Nahrung wie beispielsweise Mykotoxine. Aflatoxine aus bestimmten mit Schimmel kontaminierten Lebensmitteln bilden mit der DNA Addukte, wodurch die Entwicklung von Leberkrebs induziert wird (19). Benzo[a]pyren kommt überwiegend in gegrilltem Fleisch vor (20). Seine Metaboliten interferieren auch mit der DNA, was Mutationen und dadurch Krebs begünstigt (21). Eine Dysbalance von pro- und antioxidativen Bestandteilen unserer Nahrung könnte auch eine Rolle bei der Krebsentstehung spielen (22). Dies wird im folgenden Abschnitt erläutert.

Durch welche Mechanismen erzeugt die Ernährungsweise Entzündungen?

Oxidantien und Antioxidantien sind auch an Entzündungsvorgängen beteiligt, einem weiteren Grundmechanismus, auf den die Ernährung einen Einfluss hat. Entzündungen sind die zelluläre Antwort auf eine Verletzung und zeichnen sich durch eine erhöhte Durchblutung, Infiltration von Leukozyten und eine verstärkte lokale Produktion von Mediatoren zur Gewebsreparatur aus (23). Sie sind der grundlegende Mechanismus von Erkrankungen wie dem metabolischen Syndrom, der nicht-alkoholischen Fettleber, Diabetes Mellitus, und von Herz-Kreislauf-Erkrankungen (24).

Und wieder einmal ist es die Überernährung, d.h. die Fettleibigkeit, die eine der wichtigsten Ursachen für einen proinflammatorischen körperlichen Zustand darstellt. Weißes Fettgewebe, das heißt viszerale Fettdepots, setzen Adipokine frei, die die Ausschüttung von Zytokinen wie TNF-alpha, IL-1 und IL-6 stimulieren, welche wiederum systemische Entzündungen auslösen können (25)(26). Dies ist ein weiterer Mechanismus, durch den Fettgewebe eine pankreatische Betazelldysfunktion und dadurch Hyperglykämie und schließlich Diabetes mellitus verursacht (27).

Im Gegensatz dazu reduziert eine negative Energiebilanz, also Kalorienrestriktion, Entzündungen (28).

Durch das Hervorrufen von endothelialer Dysfunktion und Gefäßverletzungen sind Entzündungen auch an der Entstehung von Atherosklerose beteiligt. In Ergänzung zu proinflammatorischen Adipokinen sowie eines von Adipozyten abgeleiteten Renin-Angiotensin-Aldosteron-Systems (29) werden Entzündungen durch erhöhten oxidativen Stress gefördert.

Oxidativer Stress ist ein Stoffwechselzustand, der durch ein Ungleichgewicht von reaktiven Sauerstoffspezies (engl. reactive oxygen species, ROS) und antioxidativen Molekülen, die den entstehenden freien Radikalen entgegenwirken können, gekennzeichnet ist. Da freie Radikale das Potential haben, alle Komponenten einer Zelle, einschließlich Proteinen, Lipiden und auch DNA, zu beschädigen, ist oxidativer Stress, also eine übermäßige Menge an ROS, an den meisten Krankheiten beteiligt. Diese reichen von Krebs (30, 31) über Herz-Kreislauf-Erkankungen (32) bis hin zu neurogenerativen (33) und psychischen Störungen (34). Die durch ROS verursachte Oxidation von DNA ist eine der Hauptursachen für Mutationen, welche die Karzinogenese fördern (35).

Prooxidative Moleküle sind ein Nebenprodukt unseres Energiestoffwechsels, genauer unserer Zellatmung, aber es gibt auch exogene Quellen wie Rauchen, Schwermetalle oder Pestizide (36). Die Ernährungsweise kann die Produktion von sowohl pro- als auch antioxidativen Molekülen beeinflussen. Ein erhöhter Konsum von gesättigten Fettsäuren beispielsweise erhöht den oxidativen Stress, wohingegen einfach ungesättigte Fettsäuren einen eher antioxidativen Effekt haben (37).

Polyphenole, die in Obst, Gemüse, dunkler Schokolade, Tee, Kaffee oder Wein enthalten sind, wirken als Antioxidationsmittel oder erhöhen die Genexpression von Antioxidantien und wirken auf diese Weise Entzündungen entgegen (38)(39).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere Nahrung der Stoff ist, aus dem wir gebaut sind. Ihre einzelnen Bestandteile versorgen unseren Stoffwechsel mit der nötigen Energie. Unsere Ernährung beeinflusst unsere DNA, unsere Organsysteme und unser Wohlergehen. Dieser Artikel kann nur einen Bruchteil der zugrundeliegenden Krankheitsmechanismen und deren Wechselwirkungen abbilden, auf welche die Ernährung einen Einfluss nimmt. Weitere Mechanismen werden in den nachfolgenden Artikeln zu Ernährung und Krankheit genauer beleuchtet.

Dieser Artikel ist Teil der Serie „Die Kraft der Ernährung“.
Teil 1: The Power of Nutrition
Teil 2: Die globale Bürde der Nicht-Übertragbaren Erkrankungen
Teil 3: Die Blue Zones
Teil 4: Epigenetik
Teil 5: Das Mikrobiom des Menschen
Teil 6: Wie funktioniert Ernährung?
Teil 7: Die Deutlichkeit der Evidenz

HIDE
Quellenangaben
(1) Berg JM, Stryer L, Tymoczko JL, Gatto GJ. Biochemistry. 8th ed. New York: WH Freeman; 2015.
(2) Palermo A, Tuccinardi D, D’Onofrio L, et al. Vitamin K and osteoporosis: Myth or reality? Metab Clin Exp. 2017;70:57-71. doi:1016/j.metabol.2017.01.032
(3) Endo J, Arita M. Cardioprotective mechanism of omega-3 polyunsaturated fatty acids. J Cardiol. 2016;67(1):22-27. doi:1016/j.jjcc.2015.08.002
(4) Joshi MS, Ferguson TB, Johnson FK, Johnson RA, Parthasarathy S, Lancaster JR. Receptor-mediated activation of nitric oxide synthesis by arginine in endothelial cells. Proc Natl Acad Sci USA. 2007;104(24):9982-9987. doi:1073/pnas.0506824104
(5) Calder PC. Feeding the immune system. Proc Nutr Soc. 2013;72(3):299-309. doi:10.1017/S0029665113001286
(6) Brouwer IA, Wanders AJ, Katan MB. Trans fatty acids and cardiovascular health: research completed? Eur J Clin Nutr. 2013;67(5):541-547. doi:10.1038/ejcn.2013.43
(7) Kuo C-C, Howard BV, Umans JG, et al. Arsenic Exposure, Arsenic Metabolism, and Incident Diabetes in the Strong Heart Study. Diabetes Care. 2015;38(4):620-627. doi:10.2337/dc14-1641
(8) Huang Y, He C, Shen C, et al. Toxicity of cadmium and its health risks from leafy vegetable consumption. Food Funct. 2017;8(4):1373-1401. doi:10.1039/c6fo01580h
(9) Habs M, Binder K, Krauss S, et al. A Balanced Risk-Benefit Analysis to Determine Human Risks Associated with Pyrrolizidine Alkaloids (PA)-The Case of Tea and Herbal Infusions. Nutrients. 2017;9(7). doi:10.3390/nu9070717
(10) Spiegelman BM, Flier JS. Obesity and the regulation of energy balance. Cell. 2001;104(4):531-543.
(11) Redinger RN. The Pathophysiology of Obesity and Its Clinical Manifestations. Gastroenterol Hepatol (N Y). 2007;3(11):856-863.
(12) Pan DA, Lillioja S, Kriketos AD, et al. Skeletal muscle triglyceride levels are inversely related to insulin action. Diabetes. 1997;46(6):983-988.
(13) Després JP, Lamarche B, Mauriège P, et al. Hyperinsulinemia as an independent risk factor for ischemic heart disease. N Engl J Med. 1996;334(15):952-957. doi:10.1056/NEJM199604113341504
(14) Madonna R, Pandolfi A, Massaro M, Consoli A, De Caterina R. Insulin enhances vascular cell adhesion molecule-1 expression in human cultured endothelial cells through a pro-atherogenic pathway mediated by p38 mitogen-activated protein-kinase. Diabetologia. 2004;47(3):532-536. doi:10.1007/s00125-004-1330-x
(15) Orrù S, Nigro E, Mandola A, et al. A Functional Interplay between IGF-1 and Adiponectin. Int J Mol Sci. 2017;18(10). doi:10.3390/ijms18102145
(16) Anisimov VN, Bartke A. The key role of growth hormone-insulin-IGF-1 signaling in aging and cancer. Crit Rev Oncol Hematol. 2013;87(3):201-223. doi:10.1016/j.critrevonc.2013.01.005
(17) Renehan AG, Frystyk J, Flyvbjerg A. Obesity and cancer risk: the role of the insulin-IGF axis. Trends Endocrinol Metab. 2006;17(8):328-336. doi:10.1016/j.tem.2006.08.006
(18) Lee CH, Woo YC, Wang Y, Yeung CY, Xu A, Lam KSL. Obesity, adipokines and cancer: an update. Clin Endocrinol (Oxf). 2015;83(2):147-156. doi:10.1111/cen.12667
(19) Kew MC. Aflatoxins as a cause of hepatocellular carcinoma. J Gastrointestin Liver Dis. 2013;22(3):305-310.
(20) Lee BM, Shim GA. Dietary exposure estimation of benzo[a]pyrene and cancer risk assessment. J Toxicol Environ Health Part A. 2007;70(15-16):1391-1394. doi:10.1080/15287390701434182
(21) Volk DE, Thiviyanathan V, Rice JS, et al. Solution structure of a cis-opened (10R)-N6-deoxyadenosine adduct of (9S,10R)-9,10-epoxy-7,8,9,10-tetrahydrobenzo[a]pyrene in a DNA duplex. Biochemistry. 2003;42(6):1410-1420. doi:10.1021/bi026745u
(22) Sharma A, Kaur M, Katnoria JK, Nagpal AK. Polyphenols in Food: Cancer Prevention and Apoptosis Induction. Curr Med Chem. 2018;25(36):4740-4757. doi:10.2174/0929867324666171006144208
(23) Calder PC, Ahluwalia N, Albers R, et al. A consideration of biomarkers to be used for evaluation of inflammation in human nutritional studies. Br J Nutr. 2013;109 Suppl 1:S1-34. doi:10.1017/S0007114512005119
(24) Hotamisligil GS. Inflammation and metabolic disorders. Nature. 2006;444(7121):860-867. doi:10.1038/nature05485
(25) Lafontan M. Fat cells: afferent and efferent messages define new approaches to treat obesity. Annu Rev Pharmacol Toxicol. 2005;45:119-146. doi:10.1146/annurev.pharmtox.45.120403.095843
(26) Calabro P, Yeh ET. Obesity, inflammation, and vascular disease: the role of the adipose tissue as an endocrine organ. Subcell Biochem. 2007;42:63-91.
(27) Kershaw EE, Flier JS. Adipose tissue as an endocrine organ. J Clin Endocrinol Metab. 2004;89(6):2548-2556. doi:10.1210/jc.2004-0395
(28) Fontana L, Meyer TE, Klein S, Holloszy JO. Long-term calorie restriction is highly effective in reducing the risk for atherosclerosis in humans. Proc Natl Acad Sci USA. 2004;101(17):6659-6663. doi:10.1073/pnas.0308291101
(29) Engeli S, Schling P, Gorzelniak K, et al. The adipose-tissue renin-angiotensin-aldosterone system: role in the metabolic syndrome? Int J Biochem Cell Biol. 2003;35(6):807-825.
(30) Halliwell B. Oxidative stress and cancer: have we moved forward? Biochemical Journal. 2007;401(1):1-11. doi:10.1042/BJ20061131
(31) Carini F, Mazzola M, Rappa F, et al. Colorectal Carcinogenesis: Role of Oxidative Stress and Antioxidants. Anticancer Res. 2017;37(9):4759-4766. doi:10.21873/anticanres.11882
(32) Siti HN, Kamisah Y, Kamsiah J. The role of oxidative stress, antioxidants and vascular inflammation in cardiovascular disease (a review). Vascul Pharmacol. 2015;71:40-56. doi:10.1016/j.vph.2015.03.005
(33) Niedzielska E, Smaga I, Gawlik M, et al. Oxidative Stress in Neurodegenerative Diseases. Mol Neurobiol. 2016;53(6):4094-4125. doi:10.1007/s12035-015-9337-5
(34) Jiménez-Fernández S, Gurpegui M, Díaz-Atienza F, Pérez-Costillas L, Gerstenberg M, Correll CU. Oxidative stress and antioxidant parameters in patients with major depressive disorder compared to healthy controls before and after antidepressant treatment: results from a meta-analysis. J Clin Psychiatry. 2015;76(12):1658-1667. doi:10.4088/JCP.14r09179
(35) Kawanishi S, Ohnishi S, Ma N, Hiraku Y, Murata M. Crosstalk between DNA Damage and Inflammation in the Multiple Steps of Carcinogenesis. Int J Mol Sci. 2017;18(8). doi:10.3390/ijms18081808
(36) Phaniendra A, Jestadi DB, Periyasamy L. Free Radicals: Properties, Sources, Targets, and Their Implication in Various Diseases. Indian J Clin Biochem. 2015;30(1):11-26. doi:10.1007/s12291-014-0446-0
(37) Vetrani C, Costabile G, Di Marino L, Rivellese AA. Nutrition and oxidative stress: a systematic review of human studies. International Journal of Food Sciences and Nutrition. 2013;64(3):312-326. doi:10.3109/09637486.2012.738651
(38) Scalbert A, Manach C, Morand C, Rémésy C, Jiménez L. Dietary polyphenols and the prevention of diseases. Crit Rev Food Sci Nutr. 2005;45(4):287-306. doi:10.1080/1040869059096
(39) Landberg R, Sun Q, Rimm EB, et al. Selected dietary flavonoids are associated with markers of inflammation and endothelial dysfunction in U.S. women. J Nutr. 2011;141(4):618-625. doi:10.3945/jn.110.133843

(40) Chun OK, Chung S-J, Claycombe KJ, Song WO. Serum C-reactive protein concentrations are inversely associated with dietary flavonoid intake in U.S. adults. J Nutr. 2008;138(4):753-760. doi:10.1093/jn/138.4.753