Aufgabe 2 - Stoffwechsel der Nährstoffe und seine… · Abitur NRW Ernährungslehre LK · Haupttermin 2023

M 1: Oxidativer Stress und Regulationsmechanismen

Intensive körperliche Aktivität ist nachweislich mit der vermehrten Bildung von freien Radikalen und entsprechend auch mit der Gefahr von oxidativem Stress, d. h. einem Missverhältnis zwischen Radikalbildung und Radikalneutralisierung, verbunden.

Freie Radikale sind Teilchen, die ein freies, d. h. ungepaartes Elektron besitzen. Sie entstehen physiologisch u. a. im Rahmen der mitochondrialen Oxidation (ca. $1 - 2\,\%$ des $\text{O}_2$-Umsatzes) und bei Entzündungsreaktionen. Zu den Radikalen gehören u. a. einige reaktive Sauerstoffspezies (ROS), z. B. das Superoxid-Radikal ($\text{O}_2^{\bullet-}$) sowie das besonders aggressive Hydroxylradikal ($\text{OH}^\bullet$).

Aufgrund ihrer hohen Reaktivität können freie Radikale biologische Strukturen schädigen und deren Eigenschaften negativ verändern. So nehmen freie Radikale auch ungünstigen Einfluss auf Faktoren der körperlichen Leistungsfähigkeit.

Freie Radikale schädigen allerdings nicht grundsätzlich, sondern nur dann, wenn ihre Wirkung nicht neutralisiert werden kann. Dies ist der Fall, wenn prooxidative gegenüber antioxidativen Faktoren überwiegen. Diese Situation wird als oxidativer Stress (OS) bezeichnet. Dabei kann ein Ungleichgewicht in der antioxidativen Regulation zum einen über Ernährungsdefizite, d. h. durch die unzureichende Zufuhr von antioxidativen Nährstoffen, entstehen, zum anderen durch eine unzureichende Anpassungsreaktion von körpereigenen Schutzenzymen.

Eine besondere Quelle von reaktiven Sauerstoff-Spezies (ROS) sind die Mitochondrien. Jede körperliche Anstrengung führt zu einer Erhöhung des sogenannten „Lecks“ der Atmungskette und einer vermehrten ROS-Bildung. Sie sorgt für die Aktivierung derjenigen Signalwege, die für den Abbau der durch körperliche Anstrengung vermehrt anfallenden geschädigten Zellen benötigt werden, und sorgt für eine Verstärkung der körpereigenen Abwehrkräfte des Immunsystems. Damit ist die Leckage der Atmungskette unter körperlicher Anstrengung ein „sinnvoller“ Prozess, der sich evolutionär entwickelt hat.

Aber auch bestimmte Zellen des Immunsystems können bei einer Entzündungsreaktion erhebliche Mengen an ROS produzieren, die dann gezielt der Abwehr von Parasiten und Mikroorganismen dienen.

M 2: Schema der Atmungskette

Die Atmungskettenenzyme sind hintereinander geschaltete Multienzymkomplexe und sind in der inneren Mitochondrienmembran integriert. Sie transportieren Elektronen, die im letzten Schritt der Atmungskette enzymatisch auf Sauerstoff übertragen werden können.

Etwa 1 bis 2 Prozent der in den Mitochondrien umgesetzten Sauerstoffmoleküle werden mit nur einem Elektron reduziert (s. gestrichelter Pfeil in der Abbildung). Durch diese Reaktion entsteht das Superoxid-Radikal ($\text{O}_2^{\bullet-}$), das seinerseits Wasserstoffperoxid ($\text{H}_2\text{O}_2$) bilden kann.

Weder Superoxid noch Wasserstoffperoxid allein sind besonders gefährlich; sie können jedoch durch Reaktion miteinander, besonders in Gegenwart von Schwermetallionen, z. B. Eisen und Kupfer, das extrem reaktive Hydroxylradikal ($\text{OH}^\bullet$) bilden.

M 3: Antioxidative Vitamine und körperliche Belastbarkeit

Intensive körperliche Belastung bedeutet für den Organismus Stress. Dieser erzeugt neben der muskulären Belastungsreaktion auch eine Ganzkörperreaktion, die die Wiederherstellung des Gleichgewichtes im Organismus zum Ziel hat.

Die meisten Organsysteme wie auch die Skelettmuskulatur können sich gegen den belastungsinduzierten oxidativen Stress auf zellulärer Ebene schützen. Entsprechend ist belegt, dass Organe mit einem hohen mitochondrialen Stoffwechselumsatz (Muskel, Herz, Leber) über anpassungsfähige Schutzeinrichtungen verfügen, die sie bei Stressexposition verstärken (exprimieren) können. Der wichtigste Mechanismus des Körpers, den oxidativen Stress zu senken, ist die Neubildung antioxidativ wirksamer Enzyme.

Zusätzlich zur Regulation über die körpereigenen Schutzsysteme muss auch die Beeinflussung der antioxidativen Regulation durch Nährstoffe beachtet werden. Sportlerinnen und Sportler sollten als Personengruppe mit erhöhter Exposition zu oxidativem Stress auf eine optimierte Zufuhr an antioxidativen Vitaminen (AOV) achten, um darüber eine ausreichende AOV-Konzentration im Plasma zu erreichen und dadurch die Schutzwirkung gegenüber freien Radikalen zu optimieren. Es stellt sich die Frage, ob auch im Sport diese natürlichen antioxidativen Systeme des Körpers eine sportinduzierte verstärkte Belastung durch freie Radikale ausreichend neutralisieren können oder ob die Supplementierung weiterer antioxidativ wirkender Substanzen sinnvoll und nützlich ist. Insbesondere werden u. a. die Vitamine C und E sowie $\beta$-Carotin aufgrund ihrer antioxidativen Eigenschaften intensiv beworben.

Aufgrund von Studien ist allerdings nicht auszuschließen, dass eine Nahrungsergänzung mit Antioxidantien körpereigene Anpassungen an das Training ggf. beeinträchtigen kann.

M 4: Vitamin-C-Präparat und D-A-CH-Referenzwerte

Auszug der Herstellerangaben:

Vitamin C mit $1\,000\text{ mg}$ pro Tablette

Der Allrounder unter den Vitaminen

vegan

Preis: ca. 20,– Euro für 200 Tabletten

D-A-CH-Referenzwerte:

Alter · Vitamin C (mg/Tag)

männlich · weiblich

15 bis unter 19 Jahre · 105 · 90

Erwachsene · 110 · 95

1.

Stellen Sie unter Verwendung von M 1 dar, wie freie Radikale entstehen und abgebaut werden, und erläutern Sie, welche Wirkungen sie im Körper haben. (16 Punkte)

2.

Erläutern Sie, wie die Atmungskette Energie bereitstellt (M 2), und erklären Sie, warum bei sportlicher Betätigung vermehrt freie Radikale gebildet werden (M 2). (14 Punkte)