Wie funktioniert eigentlich Zucker?

Zucker ist überall und begleitet uns jeden Tag. Zucker ist nicht nur unser erster Energielieferant, sondern schlicht unverzichtbar für das Leben. Zucker ist daher also nichts Schlechtes. Wie so oft, wenn es um Nahrung und Ernährungsweise geht, gilt auch hier: „Die Dosis macht das Gift“.

Unter Zucker verstehen wir üblicherweise den typischen Haushaltszucker. Das ist aber nur eine Form von vielen, unter denen uns Zucker begegnen kann. Zusammengefasst ergeben die Zucker die Gruppe der Kohlenhydrate. Einzelheiten zu den Kohlenhydraten finden Sie hier.

Zucker ist leicht verdaulich und wird rasch in das Blut aufgenommen, um dann unmittelbar zu den vielen Abnehmern im Körper transportiert zu werden und dort für die Energieproduktion und -speicherung zur Verfügung zu stehen.

Allerdings führt ein dauerhaftes Überangebot an Zucker zu erheblichen Funktionsstörungen unseres gesamten biologischen Systems, sowohl langfristig als auch unmittelbar und kurzfristig. Aufgrund der zentralen Rolle, die Glukose in unserem Energiehaushalt spielt, kommt daher auch der Regulation des Blutzuckerspiegels eine zentrale Bedeutung zu. 

Beides, die Notwendigkeit des Zuckers für unsere Energie und die Schädlichkeit eines „Zuviel“ an Zucker im Blut, sind die Gründe, warum wir heute soviel darüber sprechen.

Woher kommt der Zucker überhaupt?

Diese etwas merkwürdig anmutende Frage schließt einer weitere Frage unmittelbar ein: Wenn Zucker unser erster Energiespender ist, woher kommt eigentlich die Energie im Zucker? 

Beide Fragen berühren ein wesentliches Grundprinzip aller hochentwickelten Lebensformen auf der Erde. 

Lassen Sie uns zunächst auf unser Schulwissen zurückgreifen. Ich weiß, es ist lange her, daher frischen wir es ein wenig auf. Ausgangspunkt des Zuckers ist die Sonne. Ohne Sonne kein Zucker, oder auch: mehr Sonne, mehr Zucker. Der Schlüssel zum Zucker sind grüne Pflanzen, sie sind die heimlichen Herrscher der Erde. Ohne sie gäbe es keinen Sauerstoff, wir würden am Kohlendioxid ersticken, und es gäbe auch keine für uns leicht erreichbare Energie: den Zucker. 

Prinzip der Fotosynthese
Abbildung 1: Prinzip der Fotosynthese. Aus Kohlendioxid und Wasser entstehen unter Einfluss von Sonnenenergie Sauerstoff und Glukose.

Der grüne Farbstoff der Pflanzen, das Chlorophyll, produziert unter Nutzung von Sonnenenergie aus Kohlendioxid und Wasser Glukose. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt, der an die Umgebung abgegeben wird. Dieser als Fotosynthese bezeichnete Vorgang (Sie erinnern sich?) ist der Beginn einer Kette, die letztlich bis zu uns Menschen führt (Abbildung 1). 

Die von der Sonne in Form von Photonen – kleinen Lichtkörperchen – abgestrahlte Energie wird dabei quasi in den Verbindungen der Atome, die ein Glukosemolekül ergeben, als Bindungsenergie „gespeichert“.  Es erfolgt damit die Umwandlung der elektromagnetischen Energie des Lichts in chemische Energie des Zuckers. Einzelne Zuckermoleküle können wiederum aneinander gehangen werden und bilden dann kettenförmige Zucker, wie z. B. Stärke. Werden diese Bindungen durch geeignete Stoffwechselschritte wieder gespalten, wird die darin enthaltene Energie freigesetzt, übertragen und genutzt. Die Energie, die allen Tieren und damit auch uns Menschen letztlich jeden Tag zur Verfügung steht, ist also nichts anderes als gespeicherte und verwendbar gemachte Sonnenenergie, welche wir uns auf die eine oder andere Art über die Pflanzen zuführen. 

Um Missverständnissen vorzubeugen: Auch die Produktion von Fetten und Eiweißen beruht letztlich auf der Energiebereitstellung durch die Fotosynthese. Pflanzenfresser gewinnen ihre Energie aus den Pflanzen, und Raubtiere, die Pflanzenfresser verwerten, bekommen ihre Energie von diesen. Auch für uns Menschen gilt: alles was wir essen, Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße – am Anfang steht die Photosynthese. 

Regulierung des Blutzucker-Spiegels

Eine bestimmte Menge Zucker im Blut, die wir als Blutzuckerspiegel kennen, ist eine absolut notwendige Voraussetzung dafür, dass wir leben können. Genauso ist jedoch ein Zuviel an Zucker im Blut auf Dauer sehr schädlich. Daher ist die Kontrolle und Regulation der Höhe des Zuckerspiegels im Blut für unseren Organismus überlebenswichtig.

Verminderung des Blutzuckerspiegels – Insulin

Unser Körper kennt zwar viele Wege, den Blutzuckerspiegel zu erhöhen, aber nur einen, ihn zu senken. Während jede Stressreaktion und viele Hormonwirkungen dazu führen, den Blutzuckerspiegel anzuheben, gibt es nur das Insulin, welches ihn auch senken kann. 

Was geschieht, wenn wir eine zucker- bzw. kohlenhydrathaltige Nahrung zu uns nehmen? Zunächst haben wir nach einer stärke- oder zuckerhaltigen Mahlzeit (oder einem zuckerhaltigen Getränk) eine Menge Polysaccharide und Saccharose in unserem Dünndarm. Enzyme sorgen dafür, dass aus dem Zucker mit zwei oder mehr Bestandteilen lauter Einzelteile in Form von einzelnen Zuckermolekülen entstehen. Das beginnt bereits in der Mundhöhle und setzt sich vor allem im Dünndarm fort. Davon wird der größte Teil rasch in die Blutbahn aufgenommen.

Ist die Menge Zucker groß, dann kann es passieren, dass unsere Aufnahmekapazität einfach nicht ausreicht und es gelangt der kleinere Teil nach einiger Zeit aus dem Dünndarm in den Dickdarm. Dort ist die Glukose für uns verloren, da sie nicht mehr aufgenommen werden kann. Dafür gibt es hier eine Reihe Bakterien, die hocherfreut auf diese Gelegenheit warten und die Glukose für ihre eigenen Zwecke nutzen. Je mehr kohlenhydratreiche Nahrung wir zu uns nehmen, um so wohler fühlen sich diese Bakterien und umso mehr vermehren sie sich. Das kann natürlich die Zusammensetzung der Gesamtmenge von Bakterien im Dickdarm ganz entscheidend zu unserem Nachteil ändern und uns eben auch häufig Beschwerden machen. Das wird uns noch in einem anderen Beitrag beschäftigen.

Langerhans'sche Insel
Abbildung 2: Schematische Darstellung einer Langerhans’schen Insel. Innen liegen die Beta-Zellen, außen die Alpha-Zellen. Eingestreut finden sich zusätzlich die Delta-Zellen.

Kehren wir zurück zu unserer Glukose im Blut. Unser Glukose-Molekül schwimmt jetzt im Blutstrom und gelangt auf diese Weise zunächst über die Leber zum Herz, um von dort in Richtung Bauchspeicheldrüse gepumpt zu werden, genauer gesagt, zu den sog. Langerhans’schen Inseln. Das ist nichts anderes als ein Haufen von Zellen, die anders aussehen als der Rest der Bauchspeicheldrüse, daher unter dem Mikroskop wie kleine Inseln im Zellenmeer erscheinen und von Paul Langerhans 1869 entdeckt wurden.

Die Inseln selbst sind ein Mix aus drei verschiedenen Zelltypen, die der Einfachheit halber nach dem griechischen Alphabet mit Alpha, Beta und Delta bezeichnet wurden. Sie liegen in konzentrischen Kreisen umeinander, mit den Beta-Zellen innen, den Alpha-Zellen außen und den nicht sehr zahlreichen Delta-Zellen, welche in die Beta-Zellen eingebettet sind (Abbildung 2). In den Beta-Zellen entsteht das Insulin, in den Alpha-Zellen sein Gegenspieler, das Glukagon, zu dem wir später noch kommen. Diese beiden Hormone sind die entscheidenden Regulatoren des Blutzuckerspiegels.

Wichtig für unsere Betrachtungen sind also die Alpha- und Beta-Zellen. Das Blut durchströmt diese Zellschichten von innen nach außen und erreicht damit zunächst die Beta-Zellen. Hier wird der Anteil der Glukose im Blut gemessen. Wenn unser Glukosemolekül gemeinsam mit vielen anderen Glukosemolekülen die inneren Zellschichten der Langerhans’schen Inseln erreicht, signalisiert dies einen unmittelbaren Anstieg der Blutzucker-Konzentration. Damit wird sofort ein Alarmsignal ausgelöst, welches von den Beta-Zellen aufgenommen wird. In den Beta-Zellen befindet sich in kleinen Kügelchen vorgefertigtes Insulin, welches jetzt unmittelbar ausgeschüttet werden kann, quasi als eine Art Sofortreaktion. Gleichzeitig wird die Produktionslinie angeworfen und es wird wie in einer Fabrik noch weiteres Insulin hergestellt, welches dann entweder auch ausgeschüttet wird oder dazu dient, das Insulin-Lager in der Zelle wieder aufzufüllen.

Unser Glukose-Molekül hat also an den Langerhans’schen Inseln Wirkung erzielt und schwimmt jetzt mit dem Blut weiter, ist aber nun von Insulin umgeben. Über den Kreislauf können jetzt eine Vielzahl Organe erreicht werden. Das Zielorgan könnte nun die Leber, ein Muskel, das Herz oder einfach Fettgewebe sein. Überall ist die Glukose willkommen, solange sie eine Portion Insulin im Gepäck hat. Aber da der venöse Abfluss aus der Bauchspeicheldrüse genau wie der Abfluss aus dem Darm unmittelbar zur Leber führt, wird das nächste große Organ, welches auf dem Weg liegt, die Leber sein.

Das Glukosemolekül tritt nun in Kontakt mit einer Leberzelle und beide möchten, dass es in diese hineinkommt. Es bieten sich nun verschiedene Tore in der Wand der Leberzelle an, aber leider sind sie alle verschlossen. Erst dass Insulin schafft es, ein bestimmtes Tor zu öffnen, es wirkt also wie ein Schlüssel. Das Tor selbst hat eine spezielle Form, in die wiederum nur das Glukose-Molekül hinein passt, um dann wie in einer Art Drehtür-Mechanismus in die Zelle befördert zu werden. Damit verschwindet das Glukosemolekül aus dem Blut. Wenn wir uns diesen Vorgang nun mit einer Vielzahl von Glukosemolekülen und an einer Vielzahl von Zellen vorstellen, werden auf diesem Wege in relativ kurzer Zeit also auch viele dieser Moleküle aus dem Blut entfernt. 

Da der Vorgang der Glukoseaufnahme in vielen Organen und vor allem auch im Fettgewebe passiert, wird die im zirkulierenden Blut meßbare Glukose-Konzentration immer kleiner. Und da dieses zirkulierende Blut immer wieder auch an der Bauchspeicheldrüse vorbei kommt, nimmt das durch die Glukose hervorgerufene Alarmsignal in seiner Intensität ab und verschwindet letztlich ganz. Als Reaktion darauf vermindert sich die Insulinausschüttung und wird nach Beenden des Alarms ganz eingestellt. 

Wir haben es hier also mit drei wesentlichen Voraussetzungen für eine effektive Verminderung des Blutzuckerspiegels und die Verwertung der Glukose zu tun:

  • es müssen Beta-Zellen in der Bauchspeicheldrüse und selbstverständlich auch die Bauchspeicheldrüse selbst vorhanden sein
  • die Beta-Zellen müssen in der Lage sein, Insulin zu produzieren und in ausreichender Menge ausschütten
  • an den Zellen der Zielorgane muss es eine ausreichende Zahl von speziellen Türen geben (Rezeptoren), damit die Glukose auch wirklich aus dem Blutkreislauf entfernt werden kann

Aufmerksame Leser werden an dieser Stelle einwenden, dass die Glukose, die wir aus dem Darm aufgenommen haben, ja erst einmal eine ganze Runde durch unseren Körper drehen muss, bevor sie an der Bauchspeicheldrüse ankommt. Und wenn wir nun viel Glukose aufnehmen, dauert es doch relativ lange, bis die Regulierung des Blutzuckerspiegels mittels Insulin auf diesem Weg einsetzen kann.

Um dieser „Schwachstelle“ der Blutzuckerregulation entgegenzuwirken, gibt es einen Mechanismus, der bereits vor der im Blut anflutenden Glukose für eine Insulin-Ausschüttung sorgt. Dafür werden zwei Hormone in den Zellen der Dünn- und Dickdarmschleimhaut gebildet und direkt an das Blut abgegeben. Sie werden unter dem Begriff „Inkretin“ zusammengefasst und bewirken bereits bei im Dünndarm ankommender Glukose bzw. ihrer Entstehung durch Aufspaltung der Stärke die Ausschüttung von Insulin. Damit wird gewährleistet, dass bereits bei „drohender“ Erhöhung des Blutzuckerspiegels eine entgegenwirkende Regulation einsetzt. Da niemand weiß, wieviel Glukose letztlich wirklich im Darm anfällt, ist die Lebenszeit dieser Hormone sehr begrenzt. Sie werden sehr schnell wieder abgebaut, so dass bei ausbleibender Glukose oder bei Beendigung der Aufnahme von Zucker das Signal zur Insulinausschüttung ebenfalls rasch verschwindet.

Erhöhung des Blutzuckerspiegels – Glukagon

Aber was passiert, wenn wir eine Zeit lang keine Glukose zu uns nehmen, und der Blutzucker-Spiegel absinkt? Kehren wir zur Beantwortung der Frage zunächst zurück zu den Alpha-Zellen in der Bauchspeicheldrüse. Die Alpha-Zellen produzieren, wie beschrieben, ein Hormon mit dem Namen Glukagon, welches als Gegenspieler zum Insulin wirkt. Wie schon oben beschrieben, hat die Natur es so eingerichtet, dass das Blut die Zellschichten der Langerhans’schen Inseln von innen nach außen durchströmt und zuerst die Beta-Zellen erreicht. Diese messen die Konzentration der Glukose im Blut und reagieren, wenn der Wert zu hoch ist, mit der Ausschüttung von Insulin. Insulin selbst wiederum ist ein Hemmstoff der Glukagon-Ausschüttung aus den Alpha-Zellen. Hohe Glukosespiegel bedeuten viel Insulin und damit wenig Glukagon. Umgekehrt bedeutet das, je niedriger der Blutzuckersspiegel, um so weniger Insulin wird ausgeschüttet und umso mehr Glukagon befindet sich in der Blutbahn. Das Glukagon sorgt nun beispielsweise dafür, dass in den Zellen der Leber Glukose produziert und freigesetzt wird. Damit wird der Blutzuckerspiegel erhöht. 

Glukose und Glykogen

Wie geht das? Glukose, die wir nicht zur Energieerzeugung benötigen, wird zunächst in eine leicht verfügbare Speicherform umgewandelt. Diese Speicherform heißt Glykogen und befindet sich zu etwa einem Viertel in der Leber und zu etwa drei Vierteln in der Muskulatur. Glykogen ist nichts anderes als ein von Leber- und Muskelzellen aufgebauter körpereigener Zucker. Und genau so einfach, wie dieser Zucker aufgebaut werden kann, kann er auch wieder abgebaut und verfügbar gemacht werden.

Allerdings steht anschließend nur der Glykogen-Speicher der Leber zur Verfügung, den Blutzuckerspiegel konstant zu halten. Um diese Konstanz zu erreichen, wird bei einem Absinken des Blutzuckerspiegels und bei fehlender Zufuhr von außen das gespeicherte Glykogen schrittweise wieder in Glukose umgewandelt und an das Blut abgegeben. Dieser Mechanismus wird durch Glukagon angeregt.

Diese Vorgänge, das Einlagern von Glukose als Glykogen und die Wiedergewinnung der Glukose für unseren Stoffwechsel aus dieser Speicherform geschehen regelmäßig und immer wieder, wenn wir Nahrung zu uns nehmen oder zwischen den Mahlzeiten fasten. Im Ergebnis bewirken Insulin und sein Gegenspieler Glukagon, dass der Blutzuckerspiegel nahezu konstant bleibt.

Dieses Wechselspiel ist die Voraussetzung dafür, dass wir bei einer kürzeren Fastenzeit und anschließender Nahrungsaufnahme in der Lage sind, mit relativ geringem Aufwand den Blutzuckerspiegel immer wieder im optimalen Bereich zu halten oder ihn wieder dahin zurückzubringen.

Verwertung von Glukose

Glukose und Fett

Der andere Weg der Energiespeicherung ist die Umwandlung von Glukose in Fett. Auch dieser Vorgang geschieht in der Leber. Überzählige Glukose, die wir nicht zu Zellenergie oder Glykogen umwandeln können, da sämtliche Speicher gefüllt sind, wird in Fett umgewandelt. Die Fettmoleküle werden in den Leberzellen verpackt, an das Blut abgegeben und auf die Reise zu den Fettzellen unseres Körpers geschickt. Das ist aber keine Einbahnstrasse, sondern lässt sich im Bedarfsfall umkehren. Wenn wir so wollen, ist das Fettdepot, welches wir mit uns herumschleppen, nichts anderes als gespeicherte Energie, die immer dann angezapft wird, wenn von außen nichts dazu kommt. 

Glukose und Rote Blutkörperchen (Erythrozyten)

Ein ganz besonderer Abnehmer der Glukose sind unsere roten Blutkörperchen, die Erythrozyten. Sie sind nicht in der Lage, eine andere Form von Nährstoffen, also Fette und Einweiße, zur Energiegewinnung zu nutzen. Hier besteht eine direkte Abhängigkeit zwischen dem Angebot an Glukose im Blut, also einem Minimum an Blutzucker, und ihrer Funktionsfähigkeit, da nur bei voller Funktionsfähigkeit der roten Blutkörperchen die optimale Menge Sauerstoff transportiert werden kann. 

Glukose und Gehirn

Ähnlich, wenn auch nicht ganz so einseitig, ist unser Gehirn versorgt. Aufgrund der relativen Undurchlässigkeit der Grenze zwischen Blutkreislauf und Gehirn, der sog. Blut-Hirn-Schranke, gelangen nur Stoffe einer bestimmten Art und Größenordnung zu den Hirnzellen. Und Glukose passt hindurch. Damit ist auch hier die Glukose der Energielieferant Nummer eins. Um uns jedoch auch bei Nahrungsknappheit und aufgebrauchten Glukosereserven noch aktiv halten zu können, ist das Gehirn in der Lage, Produkte der Verarbeitung von Fetten im Körper für sich zu verwenden. Es handelt sich um die sog. Ketonkörper. Ketonkörper entstehen immer dann, wenn nicht mehr ausreichend Glukose zur Energiegewinnung zur Verfügung steht, sondern auf die Fett- und Eiweißreserven zurückgegriffen werden muss. Das ist immer bei längeren Hungerphasen, zu denen auch das längere Fasten gehört, der Fall. Dazu werden andere Stoffwechselwege als bei der Glukoseverwertung beschritten, ein Ergebnis sind die Ketonkörper.

Entwicklungsgeschichtlich ist der Zusammenhang klar: wir sollen und müssen natürlich auch bei einem vorübergehenden Nahrungsmangel in der Lage sein, uns zur Nahrungssuche zu begeben, also unser Gehirn einzuschalten und loszulaufen. Dass der Weg heute in der Regel nur bis zum nächsten Supermarkt oder zum Angebot einer Fast-Food-Kette um die Ecke führt, war ursprünglich nicht vorgesehen.

Energiespeicher als Lebensbasis

Ein konstanter Blutzuckerspiegel entsteht also aus dem Wechselspiel aus Energiegewinnung und Speicherung der aufgenommenen Glukose auf der einen und der Wiederherstellung von Glukose aus den gespeicherten Reserven auf der anderen Seite. Natürlich sind wir auch in der Lage, Fette und Eiweiße zur Energiegewinnung zu verwenden. Diese Wege sind deutlich weniger effizient und der Energiegewinn ist insgesamt kleiner. Aber sie reichen aus, um uns über eine längere Zeit auch bei fehlender Nahrungsaufnahme mit ausreichend Energie zu versorgen. Im Fall einer Fastenzeit werden also sowohl das Energiedepot in Form schnell verfügbaren Glykogens als auch unsere Fettspeicher dafür genutzt, um die Konstanz des Blutzuckerspiegels zu gewährleisten und den Zellen Energie zur Verfügung zu stellen. 

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