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 Coenzyme1)Berg JM, Stryer L, Tymoczko JL, Gatto GJ. Biochemistry. 8th ed. New York: WH Freeman; 2015..

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 spielen2)Berg JM, Stryer L, Tymoczko JL, Gatto GJ. Biochemistry. 8th ed. New York: WH Freeman; 2015..

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 werden3)Berg JM, Stryer L, Tymoczko JL, Gatto GJ. Biochemistry. 8th ed. New York: WH Freeman; 2015..

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 Organe4)Berg JM, Stryer L, Tymoczko JL, Gatto GJ. Biochemistry. 8th ed. New York: WH Freeman; 2015..

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 wird5)Berg JM, Stryer L, Tymoczko JL, Gatto GJ. Biochemistry. 8th ed. New York: WH Freeman; 2015.
  • 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 dient6)Berg JM, Stryer L, Tymoczko JL, Gatto GJ. Biochemistry. 8th ed. New York: WH Freeman; 2015.
  • Vitamin K ist essentiell für die Aktivierung von Gerinnungsfaktoren, und es ist am Knochenstoffwechsel beteiligt7)Berg JM, Stryer L, Tymoczko JL, Gatto GJ. Biochemistry. 8th ed. New York: WH Freeman; 2015.8)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
  • Omega-3-Fettsäuren werden zur Funktion von Zellmembranen und für die Synthese entzündungshemmender Prostaglandinen benötigt9)Berg JM, Stryer L, Tymoczko JL, Gatto GJ. Biochemistry. 8th ed. New York: WH Freeman; 2015.10)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
  • 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 ist11)Berg JM, Stryer L, Tymoczko JL, Gatto GJ. Biochemistry. 8th ed. New York: WH Freeman; 2015.12)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

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 13)Calder PC. Feeding the immune system. Proc Nutr Soc. 2013;72(3):299-309. doi:10.1017/S0029665113001286. 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. Transfettsäuren14)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, Arsen15)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, Cadmium16)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/c6fo01580hund Pyrrolizidinalkaloiden17)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/nu9070717behindert 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 Epigenetik und das Mikrobiomerörtert.

Wie verursacht Überernährung Stoffwechsel- und Hormonstörungen?

Ein übermäßiger Konsum von Lebensmitteln führt schlussendlich zu Adipositas18)Spiegelman BM, Flier JS. Obesity and the regulation of energy balance. Cell. 2001;104(4):531-543.. 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 frei19)Redinger RN. The Pathophysiology of Obesity and Its Clinical Manifestations. Gastroenterol Hepatol (N Y). 2007;3(11):856-863.. 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 unterstützt20)Pan DA, Lillioja S, Kriketos AD, et al. Skeletal muscle triglyceride levels are inversely related to insulin action. Diabetes. 1997;46(6):983-988..

Insulin ist ein proatherogenes Hormon, das die Entwicklung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen fördert21)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/NEJM19960411334150422)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.

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 Signalkaskaden23)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/ijms1810214524) 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. IGF-1 verstärkt außerdem die Angiogenese, was das allgemeine Krebswachstum fördert25)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. Leptin, eines der gut erforschten Adipokine, hat mitogene, anti-apoptotische und proinflammatorische Eigenschaften, die alle an der Karzinogenese beteiligt sind26)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.

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 wird27)Kew MC. Aflatoxins as a cause of hepatocellular carcinoma. J Gastrointestin Liver Dis. 2013;22(3):305-310.. Benzo[a]pyren kommt überwiegend in gegrilltem Fleisch vor28)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. Seine Metaboliten interferieren auch mit der DNA, was Mutationen und dadurch Krebs begünstigt29)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. Eine Dysbalance von pro- und antioxidativen Bestandteilen unserer Nahrung könnte auch eine Rolle bei der Krebsentstehung spielen 30)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. 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 aus31)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. Sie sind der grundlegende Mechanismus von Erkrankungen wie dem metabolischen Syndrom, der nicht-alkoholischen Fettleber, Diabetes Mellitus, und von Herz-Kreislauf-Erkrankungen32)Hotamisligil GS. Inflammation and metabolic disorders. Nature. 2006;444(7121):860-867. doi:10.1038/nature05485.

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 können33)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.45.120403.09584334)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.. Dies ist ein weiterer Mechanismus, durch den Fettgewebe eine pankreatische Betazelldysfunktion und dadurch Hyperglykämie und schließlich Diabetes mellitus verursacht35)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.

Im Gegensatz dazu reduziert eine negative Energiebilanz, also Kalorienrestriktion, Entzündungen36)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.

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-Systems37)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.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 Krebs38)Halliwell B. Oxidative stress and cancer: have we moved forward? Biochemical Journal. 2007;401(1):1-11. doi:10.1042/BJ2006113139)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 über Herz-Kreislauf-Erkankungen40)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 bis hin zu neurogenerativen41)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 und psychischen Störungen42)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. Die durch ROS verursachte Oxidation von DNA ist eine der Hauptursachen für Mutationen, welche die Karzinogenese fördern43)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.

Prooxidative Moleküle sind ein Nebenprodukt unseres Energiestoffwechsels, genauer unserer Zellatmung, aber es gibt auch exogene Quellen wie Rauchen, Schwermetalle oder Pestizide44)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. 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 haben45)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.

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 entgegen46)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:10.1080/104086905909647)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/138.4.75348) 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.

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".

Quellenangaben   [ + ]

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