Lerntext Verdauung

Roland Heynkes, 2.4.2017

Auf dieser Seite sammle ich, was man laut Lehrplänen und nach meiner Einschätzung zum Thema Verdauung wissen sollte. Die selbständige Erarbeitung soll ein Übungsmodul mit Aufgaben erleichtern.

Gliederung

zum Text wichtige Fachbegriffe zum Thema Verdauung
zum Text Prüfen der Nahrung vor dem Essen
zum Text Ernährungsberater Gehirn
zum Text Peristaltik
zum Text Der Weg der Nahrung durch unseren Verdauungstrakt
zum Text Reinigung des mit Nährstoffen angereicherten Blutes durch die Leber
zum Text Grundlagen zur Stoff- und Energieumwandlung
zum Text Enzyme ermöglichen die Zerlegung der Makronährstoffe

wichtige Fachbegriffe zum Thema Verdauung nach oben

Enzyme sind Biokatalysatoren, also von Lebewesen produzierte Katalysatoren. Katalysatoren beschleunigen und steuern chemische Reaktionen und bleiben dabei selbst unverändert.

Lipasen sind Enzyme, die von Lipiden Fettsäuren abspalten.

Proteasen sind Enzyme, die Proteine (Eiweiße) zunächst in Peptide und schließlich in einzelne Aminosäuren spalten.

Verdauung unserer Makronährstoffe
Verdauung

Prüfung der Nahrung vor dem Essen nach oben

Bevor wir ein Nahrungsmittel in den Mund stecken, vergleicht das Gehirn die von den Sinnesorganen (Augen, Nase, manchmal auch Ohren, Finger und Lippen) gemeldeten Eindrücke mit im Gedächtnis gespeicherten Erinnerungen. So kann das Gehirn entscheiden, ob es sich um ein essbares Nahrungsmittel in gutem Zustand handelt. Genauso vergleicht das Gehirn auch die Sinneseindrücke von Zunge und Nase mit den entsprechenden Geschmackserinnerungen, bevor wir Nahrung schlucken.

Ernährungsberater Gehirn nach oben

Sehr wichtig ist auch die Rolle des Gehirns beim Essen. Um ein guter unbewusster Ernährungsberater sein zu können, muss sich das Gehirn zunächst merken, wie ein Getränk oder Nahrungsmittel aussieht, sich anfühlt, riecht und schmeckt. Sein Gedächtnis sagt dann dem Gehirn, um welches Nahrungsmittel es sich handelt, ob es in diesem Zustand bekömmlich oder eher ungesund ist und welche Nährstoffe es erfahrungsgemäß enthält. Aufgrund dieser Sinneseindrücke und Erinnerungen und natürlich auch seinem aktuellen Nährstoff-Bedarf entsprechend entscheidet das Gehirn, ob es das vorliegende Getränk oder Nahrungsmittel akzeptiert oder ablehnt.

Entscheidet sich das Gehirn für die Aufnahme eines Nahrungsmittels, dann merkt es sich für einige Stunden, wann wir was gegessen haben. Weil auch unser Darm ähnlich wie die Nase den Nahrungsbrei riechen kann, erfährt das Gehirn später, wie lange es dauert, bis verschiedene Teile einer Speise im Darm ankommen. Die Sensoren in Dünndarm und Blut melden ihm noch später, welche Nährstoffe aus einem Nahrungsmittel gewonnen wurden. Nun kann es im Gedächtnis die neue Erfahrung mit älteren Erfahrungen vergleichen und diese entweder bestätigen oder ergänzen. Im Laufe der Jahre weiß ein Gehirn deshalb immer genauer, welche Nährstoffe ein Nahrungsmittel in welchen Mengenverhältnissen enthält und in welchen Zuständen es uns mehr oder weniger gut bekommt.

Weil die Sensoren ständig die Konzentrationen verschiedener Nährstoffe messen, weiß das Gehirn auch, welche Nährstoffe bald nachgeliefert werden sollten. Und sein Gedächtnis sagt ihm, in welchen Lebensmitteln die gewünschten Nährstoffe zu finden sind. Uns werden all diese Messungen, der Gedächtniseinsatz und Überlegungen nicht bewusst, aber mit einem entsprechenden Appetit macht uns unser Gehirn klar, welche Lebensmittel wir bald konsumieren sollten, um unseren Nährstoffbedarf zu decken.

Ernährungsberater Gehirn
Ernährungsberater Gehirn
Roland Heynkes, CC BY-SA 3.0
Was im Gehirn passiert
  1. Das Gehirn vergleicht aktuelle Sinneseindrücke mit gespeicherten Erinnerungen, um zu entscheiden, ob wir vorliegende Nahrung aufnehmen oder ablehnen sollen.
  2. Das Gehirn lernt, wie schnell verschiedene Lebensmittel welche Nährstoffe liefern.
  3. Melden Sensoren eine Unterversorgung mit einem bestimmten Nährstoff, dann erzeugt es einen Appetit auf die Nahrung, die unsere Bedürfnisse erfahrungsgemäß besonders gut befriedigen kann.

Peristaltik nach oben

Peristaltik nennt man die vom Großhirn weitgehend selbständige (unwillkürliche), aber koordinierte Muskeltätigkeit in den Wänden schlauchförmiger Organe wie der Speiseröhre, des Magens, der Därme, Harnleiter, Eileiter, des Samenleiters, des Uterus oder einfacher Herzen. In Speiseröhre, Darm und oft auch im Magen transportiert Peristaltik die Nahrung vorwärts oder gelegentlich auch rückwärts (z.B. beim Erbrechen), indem sich die Ringmuskeln auf der einen Seite entspannen und auf der anderen anspannen. Im Magen kann die Peristaltik auch nur der Durchmischung dienen. Die folgende Animation soll anschaulich machen, wie Peristaltik funktioniert.

Animation der Peristaltik Zunaechst wird ein Rechteck als Hintergrund gezeichnet. Definition des Schrifttyps und der Umrandung von Rechtecken Start Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Der Ringmuskel entspannt sich und zieht sich dann wieder zusammen. Peristaltik-Animation Roland Heynkes, CC BY-NC-SA 4.0

Der Weg der Nahrung durch unseren Verdauungstrakt nach oben

Verdauungstrakt
Mariana Ruiz Villarreal, public domain.
Nur die deutsche Beschriftung ist von mir.

Im Mund wird die Nahrung durch die Zähne zerkleinert und beim Kauen mit Hilfe der Zunge mit Speichel durchmischt. Dadurch wird die Nahrung breiig und gleitfähig. Zu diesem Zweck sondern drei Paar Speicheldrüsen täglich etwa 1,5 Liter Speichel ab. Der Speichel enthält Enzyme, die Stärke in süß schmeckenden Malzzucker (den Doppelzucker Maltose) zerlegen. Geschmacksknospen auf der Zunge prüfen gemeinsam mit der Nase den Geschmack. Süße Nahrungsmittel sind normalerweise ungiftig, bittere eher nicht. Zu salzige oder saure Nahrung könnte uns schaden. Schließlich schiebt die Zunge den Nahrungsbrei nach hinten in den Rachen und löst damit den Schluckreflex sowie das Schließen des Kehldeckels aus, damit die Nahrung nicht in die Luftröhre und die Bronchien fällt.

Was im Mund passiert
  1. Die Speicheldrüsen produzieren Speichel.
  2. Die Zähne zerkleinern die Nahrungsmittel.
  3. Die Zunge durchmischt die zerkleinerten Nahrungsmittel mit Speichel.
  4. Geschmacksknospen auf der Zunge prüfen gemeinsam mit der Nase den Geschmack.
  5. Der Speichel macht den Nahrungsbrei gleitfähig.
  6. Glucose wird durch die Mundschleimhaut ins Blut transportiert.
  7. Enzyme im Speichel spalten Stärke zu Malzzucker (Maltose).
  8. Die Zunge schiebt den Nahrungsbrei in den Rachen und löst damit den Schluckreflex aus.

Der Schluckreflex ist der Startpunkt der Peristaltik, welche die Nahrung mit wellenförmigen Bewegungen durch die Speiseröhre, den Magen und den gesamten Darm befördert, indem sich Muskeln vor der Nahrung entspannen und hinter ihr anspannen.

Bei Erwachsenen ist die Speiseröhre etwa 25-30 Zentimeter lang. Die für ihre Peristaltik notwendigen Muskeln und Nerven befinden sich hinter einer Schleimhaut in der Speiseröhrenwand. Sie schieben durch ihre koordinierten Bewegungen den Nahrungsbrei in kleinen Portionen durch die Speiseröhre in den Magen.

Was in der Speiseröhre passiert
  1. Der Schluckreflex schließt den Kehldeckel, damit der Nahrungsbrei nicht in die Luftröhre fällt.
  2. In der Speiseröhre passiert in Sachen Verdauung gar nichts.
  3. Der Nahrungsbrei wird lediglich durch Peristaltik in den Magen befördert.

Die muskulöse Magenwand vermischt und zerkleinert den Speisebrei durch kräftige Bewegungen, die nicht vom Gehirn, sondern vom Magen selbst gesteuert werden. Sie enthält zu diesem Zweck Muskeln und ein Nervensystem. In der Magenwand gibt es außerdem Drüsen, die täglich etwa zwei Liter sehr sauren Magensaft produzieren. Vor diesem Magensaft schützt sich die Magenwand mit einer Schleimhaut, die ständig Schleim produziert. Der Magensaft enthält nämlich außer Enzymen für die Verdauung von Eiweißstoffen zu Peptiden auch verdünnte Salzsäure.

unsere Magensäure
unsere Magensäure
Die Belegzellen (Parietalzellen) der Magenschleimhaut scheiden Protonen aus, die sich mit Chlorid-Ionen (Cl-) zum eigentlich gasförmigen Chlorwasserstoff (H-Cl) verbinden, der aber sofort durch die Lösung in Wasser (H2O) zu Salzsäure (Chlorwasserstoffsäure) wird. Im Wasser gibt die starke Säure H-Cl sofort ihr Proton (H+) an ein Molekül H2O ab und es entstehen H3O+ und Cl-. Dadurch wird das Hydroniumion (H3O+) zur eigentlich wirksamen Säure im Magensaft. Die Striche an bzw. zwischen den Chlor- (C), Sauerstoff- (O) oder Wasserstoffatomen (H) stehen für Elektronenpaare.

Wer sich mit Säuren und Basen noch nicht auskennt oder es wieder vergessen hat, kann sich das Thema mit meinem Lerntext Säuren und Basen erarbeiten.

Die verdünnte Salzsäure tötet die meisten Krankheitserreger, die mit der Nahrung in den Magen gelangen. Sie lässt außerdem die Eiweiße gerinnen (Gerinnen bedeutet, dass die eng verknäuelte Form der Eiweiße aufgelockert oder sogar aufgelöst wird.), damit die Eiweiße von den Enzymen in kleinere, oft besser in Wasser lösliche Bruchstücke (Peptide) zerlegt werden können. Kohlenhydrate und Lipide werden im Magen nicht verdaut, aber größere Fett-Gewebe werden mechanisch (im Gegensatz zu chemisch oder enzymatisch) zerkleinert.

Am Magenausgang befindet sich ein Pförtner genannten Ringmuskel (ringförmiger Muskel). Gelegentlich öffnet (entspannt) er sich und entlässt kleine Portionen zu einem feinen Brei zerkleinerten Nahrungsbreis in den Zwölffingerdarm genannten ersten Abschnitt des Dünndarms.

Was im Magen passiert
  1. Die muskulöse Magenwand vermischt und zerkleinert den Speisebrei.
  2. Der sehr saure Magensaft tötet viele Bakterien und lockert bei Proteinen die Tertiärstruktur.
  3. Enzyme zerlegen Eiweiße in Peptide.

Im Gegensatz zum Magen kann sich der Dünndarm vor der Magensäure nicht mit einer dicken Schleimschicht schützen, weil dadurch die Aufnahme von Nährstoffen ins Blut behindert würde. Deshalb muss der saure Nahrungsbrei durch alkalische Galle und alkalischen Bauchspeichel neutralisiert werden, wenn er aus dem Magen in den Dünndarm geschoben wird. Alkalisch ist das Gegenteil von sauer, Base ist das Gegenteil einer Säure und Lauge nennt man eine alkalische wässrige Lösung. Alkalische können saure wässrige Lösungen neutralisieren und damit unschädlich machen. Ein Problem der Neutralisierung einer Säure durch eine Lauge ist allerdings, dass die Menge der Lauge genau dosiert werden muss. Deshalb werden die Säurestärken (pH-Werte) im Blut und anderen Körperflüssigkeiten sowie im Nahrungsbrei des Dünndarms durch Puffer eingestellt. Puffer mildern die Auswirkungen zugegebener Säuren oder Basen über weite Bereiche stark ab. In Blut und Darm wirkt das Kohlensäure-Bicarbonat-Puffersystem, das man auch Hydrogencarbonat-Kohlensäure-Puffer oder einfach Bicarbonat-Puffer nennt.

Das Schema zeigt vereinfacht die Neutralisierung unserer Magensäure durch Hydrogencarbonat-Ionen
Neutralisierung unserer Magensäure
Durch die Übernahme eines Protons (H+) verwandeln Hydrogencarbonat-Ionen (HCO3-) die sauren H3O+-Moleküle wieder in harmlose Wasser-Moleküle (H2O). Die dadurch gebildete Kohlensäure (H2CO3) zerfällt teilweise in Kohlenstoffdioxyd (CO2) und Wasser.

In der Schleimhaut des etwa 12 Finger breiten Zwölffingerdarms schmecken Geschmackssinneszellen, was wir gegessen haben. Enthält der Nahrungsbrei Fett, dann produzieren Zellen der Darmschleimhaut ein Hormon, welches die Gallenblase anregt, die von der Leber produzierte Galle in den Zwölffingerdarm zu spritzen. Die Galle (Gallensaft) löst wie ein Spülmittel größere Fettstückchen in kleinste Fetttröpfchen auf, die dann von speziellen Enzymen in Fettsäuren und Glycerin zerlegt werden. Diese kleinsten Bausteine der Fette können dann durch die Darmwand in die Lymphe aufgenommen (Resorption) und mit dieser ins Blut transportiert werden. Enzyme zerlegen auch Peptide in Aminosäuren und Kohlenhydratketten in einzelne Zucker-Moleküle, die dann genau wie die Mikronährstoffe von der Dünndarmwand in feinste Blutgefäße (Kapillare) transportiert werden. Die Enzyme für die Zerlegung von Fetten, Kohlenhydraten und Peptiden sind in dem Verdauungssaft enthalten, den die Bauchspeicheldrüse produziert und bei Bedarf in den Zwölffingerdarm spritzt. Zusätzlich produziert auch die Dünndarmwand solche Enzyme.

Was im Dünndarm passiert
  1. Galle löst große Fettstücke in kleinste Tröpfchen auf.
  2. Kohlenhydrate werden in die kleinsten Zucker-Moleküle, Peptide in Aminosäuren und Fette in Glycerin und Fettsäuren zerlegt.
  3. Die Schleimhaut des Dünndarms nimmt Mikronährstoffe und die Bausteine der Makronährstoffe ins Blut oder in die Lymphe auf.
Lymphknoten und große Lymphgefäße des Menschen
Gelenk
Blausen Medical Communications, CC BY 3.0
Besonders Interessierte finden Näheres im Lerntext Lymphsystem.

Damit ein möglichst kleiner Teil der wertvollen Nährstoffbausteine ungenutzt in den Dickdarm geschoben wird, muss die Oberfläche des Dünndarms möglichst groß sein und weit in den Dünndarm hineinragen, um sich möglichst viele Bausteine zu schnappen. Bei noch lebenden Erwachsenen ist der Dünndarm 3-4 Meter lang. (Bei Toten entspannt er sich und wird etwa 6 Meter lang.) Die innere Oberfläche des Dünndarms wird in drei Stufen vergrößert. Die erste Vergrößerung wird dadurch bewirkt, dass der Dünndarm an vielen Stellen ringförmig nach innen eingestülpt ist. Das nennt man Darmfalten. Zu einer weiteren Vergrößerung der Darmoberfläche kommt es dadurch, dass überall auf der inneren Oberfläche des Dünndarms einschließlich seiner Falten kleine fingerförmige Ausstülpungen in den Darm hinein ragen. Man nennt sie Darmzotten. Die dritte Stufe der Oberflächenvergrößerung wird durch winzige, Mikrovilli genannte Ausstülpungen erreicht, die auf der Oberfläche jeder Darmzotten-Zelle in großer Zahl in den Darm hinein ragen. Insgesamt wird dadurch die Oberfläche des Dünndarms extrem vergrößert. Sie wird von verschiedenen Quellen auf 180 bis 2000 Quadratmeter geschätzt.

Wandbau des Zwölffingerdarms
Wandbau des Zwölffingerdarms
Dieses Bild verdeutlicht oben die Oberflächenvergößerung durch die auch Villi genannten Darmzotten. Unten sieht man in getrennten Lagen Muskeln, die den Darm verengen (Ringmuskeln, circular) oder verkürzen (Längsmuskeln, longitudinal) können. Das Bild wurde 1918 in "Gray's Anatomy of the Human Body" publiziert und unterliegt deshalb keinem Copyright.

Muskeln und ein eigenes Nervensystem sorgen natürlich auch in der Dünndarmwand für die wellenförmigen Bewegungen der Peristaltik, die den dünnflüssigen Darminhalt durchmischt und langsam vorwärts bewegt. So gelangt schließlich alles in den Dickdarm, was nicht durch die Dünndarmwand in Lymphe und Blut aufgenommen wird. Diesem noch dünnflüssigen Brei für uns unverdaulicher Nahrungsreste werden im Dickdarm der größte Teil des Wassers (rund 10 Liter pro Tag) und damit auch Mineralstoffe entzogen. Die Schleimhaut des Dickdarms nimmt auch Vitamine und Fettsäuren auf, die erst im Dickdarm von Bakterien produziert werden.

Der dadurch viel dichter und fester gewordene (eingedickte) und viele Bakterien aus dem Dickdarm enthaltende Rest (Kot/Stuhl) wird im Enddarm gesammelt, bis wir ihn durch den Anus (After) als Kot ausscheiden.

Was im Dickdarm passiert
  1. Für Menschen unverdauliche Bestandteile der Nahrung werden von Bakterien verdaut, die für uns nützliche Nährstoffe produzieren und ausscheiden.
  2. Vor allem Wasser, aber auch letzte Nährstoffe werden von der Schleimhaut des Dickdarms aufgenommen.
  3. Die unverdauten Reste werden für die Ausscheidung im Enddarm gesammelt.

Eine sehr wichtige und weit über die Verdauung hinaus reichende Rolle spielen die unzähligen Bakterien im menschlichen Dickdarm. Ihre Anzahl übersteigt die der menschlichen Zellen. Im Hinblick auf die Verdauung verwerten sie die für uns unverdaulichen Nahrungsreste und lassen uns von ihrem Gewinn profitieren.

Reinigung des mit Nährstoffen angereicherten Blutes durch die Leber nach oben

Die Darmwand nimmt nicht nur Nährstoffe auf, sondern auch Medikamente und Gifte. Bevor das Blut vom Darm zurück zum Herzen fließt, wird es deshalb von einer großen Vene (Pfortader) in die Leber transportiert. Dort werden Giftstoffe unschädlich gemacht, aber auch andere Stoffe aus dem Blut gefiltert. Beispielsweise wird überschüssige und für die Blutgefäße schädliche Glucose aus dem Blut gefischt und in Form von Glycogen in der Leber gespeichert. Ähnlich speichert die Leber auch Vitamine. Aminosäuren aus dem Blut nutzt die Leber, um wichtige eigene Proteine zu produzieren.

Verdauungstrakt
Mariana Ruiz Villarreal, public domain.
Versuche die Zeichnung in Gedanken zu beschriften!

Grundlagen zur Stoff- und Energieumwandlung nach oben

Die Nährstoffe werden in die Organe transportiert und dort mit Hilfe von Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) abgebaut. Dabei werden chemische Energie und natürlich Wärme freigesetzt.

Auch ein Automotor wandelt Benzin oder Dieselkraftstoff in CO2 und H2O sowie Bewegungsenergie und Wärme um. Dabei wird keine Energie erzeugt, sondern es wird lediglich die im Treibstoff vorhandene chemische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt. Und wie bei jeder Umwandlung von einer Energieform in eine andere geht dabei ein Teil der nutzbaren Energie als nicht mehr nutzbare Wärmeenergie verloren. Während das Auto ausschließlich die im Benzin gespeicherte Energie nutzt, gewinnen wir aus einem kleineren Teil unserer Nahrung auch Baustoffe für unser Wachstum, zur Erneuerung und für Reparaturen unseres Körpers. Gemeinsam haben der Treibstoff eines Kraftfahrzeugs und die Nahrung des Menschen, dass die in ihnen steckende chemische Energie letztlich durch Photosynthese aus der Strahlungsenergie des Sonnenlichts gewonnen wurde.

Enzyme ermöglichen die Zerlegung der Makronährstoffe nach oben

Die Zerlegung unserer Makronährstoffe setzt zwar chemische Energie frei, aber von alleine zerfallen sie viel zu langsam. Ähnlich wie die Verbrennung von Papier (eine chemische Reaktion des Papiers mit Sauerstoff) erfordert auch die Zerlegung eines Makronährstoffes in seine Grundbausteine chemische Reaktionen. Und damit die chemische Reaktionen der Verdauung ablaufen können, benötigen sie wie die Verbrennung von Papier zunächst etwas Aktivierungsenergie. Da aber der menschliche Körper kein Feuer verträgt, benutzt er Enzyme als Ersatz für die Aktivierungsenergie. Denn ähnlich wie Aktivierungsenergie beschleunigen auch Enzyme die chemische Reaktionen.

Diagramm der Aktivierungsenergie
/Enzymwirkung
Das Diagramm zeigt für exotherme chemische Reaktionen den Unterschied zwischen den Aktivierungsenergien mit und ohne Katalysator bzw. Enzym (Biokatalysator).

Wenn ein Enzym einen Nährstoff zerlegt, dann bezeichnet man den Nährstoff als Substrat. Die Form des Substrates muss exakt wie ein Schlüssel in ein Schloss zur Form des aktiven Zentrums des Enzyms passen. Die folgende Animation zeigt, dass sich bei der chemische Reaktion das Enzym nur vorübergehend, das Substrat jedoch andauernd verändert.

Animation eines Enzym-Substrat-Komplexes Definition des Schrifttyps und der Umrandung von Rechtecken Start Enzym Schlüsselgriff Schlüsselbart Substrat Produkt Roland Heynkes, CC BY-NC-SA 4.0 Enzym und Substrat müssen wie Schloss und Schlüssel zueinander passen. Enzym-Substrat-Komplex.

buchunabhängige Lerntexte

meine Biologieseite

Kommentare und Kritik von Fachleuten, Lernenden und deren Eltern sind jederzeit willkommen.

Roland Heynkes, CC BY-SA-4.0

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