Magensaft
Magensaft (auch lateinisch Succus gastricus) ist eine mehr oder weniger dickflüssige und klare Flüssigkeit von stark saurer Reaktion. Die Reaktion rührt von der im Magensaft enthaltenen Salzsäure (Magensäure) her, die einen wichtigen Bestandteil des Magensafts bildet. Die Salzsäure liegt allerdings in stark verdünnter Form vor mit einer Konzentration in reinem Zustand zwischen 0,5 und ca. 1,0 % freier HCl. Reine Magensäure zeigt die typischen Eigenschaften von reiner Salzsäure gleicher Konzentration bezüglich Aussehen, Geruch und chemischer Reaktivität. ⓘ
Der Magensaft enthält neben der Salzsäure vor allem Schleim, das Eiweiß spaltende Enzym Pepsin und den intrinsischen Faktor (Mucoprotein, welches für die Resorption von Vitamin B12 im Krummdarm nötig ist). Daneben ist auch noch das Labferment enthalten, welches die Eiweißspaltung und Verdauung unterstützt (Milcheiweißgerinnung). Magensäure weist einen pH-Wert von nahezu 1 bei nüchternem Magen auf und einen von 2 – 4, wenn er voll ist. Sie dient dem Aufschluss der Nahrung (hydrolytische Spaltung von Proteinen in Oligopeptide oder einzelne Aminosäuren) und hat eine bakterizide Wirkung. ⓘ
Die Magensäure setzt sich aus Protonen und Chloridionen zusammen. Die Chloridionen werden durch die Nahrung aufgenommen, und in den Belegzellen der Magenschleimhaut, die dort in Kanälen und Kanälchen eingesenkt liegen, wird Magensäure produziert. Reize zur vermehrten Sekretion von Chloridionen sind unter anderem die Stimulation des Parasympathikus (kann auch optisch durch den sogenannten Pawlowschen Reflex ausgelöst werden), Histamin- und Gastrinfreisetzung. ⓘ
Die Epithelzellen der Magenschleimhaut verhindern, dass der Magensaft Zellmembranen und damit den Magen selbst zersetzt und verdaut. ⓘ
Man unterscheidet bei der Magensekretion generell zwischen drei verschiedenen Phasen:
- Cephale Phase („Kopfphase“): Durch Stimulierung des Nervus vagus (Denken, Sehen und Riechen von Nahrung)
- Gastrische Phase („Magenphase“): Durch Dehnung des Magens und chemische Reizung durch Eiweiße, Gewürze etc.
- Intestinale Phase („Darmphase“): Durch hormonelle Blockierung der Bildung von Magensäure (wenn der Speisebrei das Duodenum erreicht hat) ⓘ
Fließt Mageninhalt in die Speiseröhre (Ösophagus) zurück (gastroösophagealer Reflux), macht sich dies durch Sodbrennen bemerkbar. Ein häufiger Reflux führt zu einer Metaplasie des Epithels der Speiseröhre, was die Entstehung von Speiseröhrenkrebs fördern kann. ⓘ
Der reine Magensaft kann als Reflux z. B. bei Menschen mit PEJ-Sonde (perkutane endoskopische Jejunostomie) beobachtbar werden. ⓘ
Magensäure, Magensaft oder Magensäure ist eine Verdauungsflüssigkeit, die in der Magenschleimhaut gebildet wird. Mit einem pH-Wert zwischen 1 und 3 spielt die Magensäure eine Schlüsselrolle bei der Verdauung von Proteinen, indem sie die Verdauungsenzyme aktiviert, die zusammen die langen Aminosäureketten der Proteine aufspalten. Die Magensäure wird durch Rückkopplungssysteme reguliert, um die Produktion bei Bedarf, z. B. nach einer Mahlzeit, zu erhöhen. Andere Zellen im Magen produzieren Bikarbonat, eine Base, um die Flüssigkeit zu puffern und einen regulierten pH-Wert zu gewährleisten. Diese Zellen produzieren auch Schleim - eine zähflüssige Barriere, die verhindert, dass die Magensäure den Magen beschädigt. Die Bauchspeicheldrüse produziert ebenfalls große Mengen an Bikarbonat und sondert Bikarbonat über den Pankreasgang in den Zwölffingerdarm ab, um die in den Verdauungstrakt gelangende Magensäure zu neutralisieren. ⓘ
Die aktiven Bestandteile der Magensäure sind Protonen und Chlorid. Diese oft vereinfachend als Salzsäure bezeichneten Stoffe werden von den Parietalzellen in den Magendrüsen des Magens produziert. Die Sekretion ist ein komplexer und relativ energieaufwendiger Prozess. Die Parietalzellen enthalten ein ausgedehntes sekretorisches Netzwerk (die so genannten Canaliculi), aus dem die "Salzsäure" in das Lumen des Magens abgesondert wird. Der pH-Wert der Magensäure liegt im menschlichen Magenlumen zwischen 1,5 und 3,5, ein Wert, der von der Protonenpumpe H+/K+ ATPase aufrechterhalten wird. Die Parietalzelle gibt dabei Bikarbonat in den Blutkreislauf ab, was zu einem vorübergehenden Anstieg des pH-Wertes im Blut führt, der als Alkaliflut bezeichnet wird. ⓘ
Durch das stark saure Milieu im Magenlumen werden Proteine (z. B. aus der Nahrung) abgebaut. Peptidbindungen, aus denen Proteine bestehen, werden labilisiert. Die Hauptzellen des Magens sezernieren Enzyme für den Eiweißabbau (inaktives Pepsinogen und im Säuglingsalter Labin). Der niedrige pH-Wert aktiviert das Pepsinogen zu dem Enzym Pepsin, das dann die Verdauung durch Aufbrechen der Aminosäurebindungen unterstützt, ein Prozess, der Proteolyse genannt wird. Darüber hinaus werden viele Mikroorganismen in einem sauren Milieu gehemmt oder abgetötet, was Infektionen oder Krankheiten verhindert. ⓘ
Sekretion
Ein typischer erwachsener menschlicher Magen sezerniert täglich etwa 1,5 Liter Magensäure. Die Magensäuresekretion wird in mehreren Schritten produziert. Chlorid- und Wasserstoffionen werden getrennt aus dem Zytoplasma der Parietalzellen abgesondert und in den Kanälchen gemischt. Die Magensäure wird dann in das Lumen der Magendrüse sezerniert und erreicht allmählich das Hauptmagenlumen. Die genaue Art und Weise, wie die sezernierte Säure das Magenlumen erreicht, ist umstritten, da die Säure zunächst die relativ pH-neutrale Magenschleimschicht überwinden muss. ⓘ
Chlorid- und Natriumionen werden aktiv aus dem Zytoplasma der Parietalzelle in das Lumen des Canaliculus sezerniert. Dadurch entsteht an der Parietalzellmembran ein negatives Potenzial zwischen -40 und -70 mV, das bewirkt, dass Kaliumionen und eine geringe Anzahl von Natriumionen aus dem Zytoplasma in die Parietalzellkanälchen diffundieren. ⓘ
Das Enzym Kohlensäureanhydrase katalysiert die Reaktion zwischen Kohlendioxid und Wasser zur Bildung von Kohlensäure. Diese Säure dissoziiert sofort in Wasserstoff- und Bicarbonat-Ionen. Die Wasserstoffionen verlassen die Zelle durch H+/K+-ATPase-Antiporterpumpen. ⓘ
Gleichzeitig werden Natrium-Ionen aktiv rückresorbiert. Das bedeutet, dass der Großteil der ausgeschiedenen K+ (Kalium)- und Na+ (Natrium)-Ionen in das Zytoplasma zurückkehrt. Im Canaliculus vermischen sich die sezernierten Wasserstoff- und Chloridionen und werden in das Lumen der Oxyntikusdrüse ausgeschieden. ⓘ
Die höchste Konzentration, die die Magensäure im Magen erreicht, liegt bei 160 mM in den Canaliculi. Das ist etwa das 3-Millionenfache der Konzentration von arteriellem Blut, aber fast genau isotonisch mit anderen Körperflüssigkeiten. Der niedrigste pH-Wert der abgesonderten Säure beträgt 0,8, aber die Säure wird im Magenlumen auf einen pH-Wert zwischen 1 und 3 verdünnt. ⓘ
Zwischen den Mahlzeiten findet eine geringe kontinuierliche Basalsekretion von Magensäure statt, die normalerweise weniger als 10 mEq/Stunde beträgt. ⓘ
Bei der Magensäuresekretion gibt es drei Phasen, in denen die Sekretionsrate erhöht wird, um eine Mahlzeit zu verdauen:
- Die Kephra-Phase: Dreißig Prozent der insgesamt zu produzierenden Magensäuresekrete werden durch die Vorfreude auf das Essen und den Geruch oder Geschmack der Nahrung angeregt. Diese Signalisierung erfolgt von höheren Zentren im Gehirn über den Vagusnerv (Hirnnerv X). Er aktiviert die Parietalzellen zur Freisetzung von Säure und die ECL-Zellen zur Freisetzung von Histamin. Der Vagusnerv (CN X) setzt auch Gastrin freisetzendes Peptid auf G-Zellen frei. Schließlich hemmt er auch die Freisetzung von Somatostatin aus den D-Zellen.
- Die Magenphase: In dieser Phase werden etwa sechzig Prozent der Gesamtsäure einer Mahlzeit ausgeschieden. Die Säuresekretion wird durch die Dehnung des Magens und durch die in der Nahrung enthaltenen Aminosäuren angeregt.
- Die intestinale Phase: Die restlichen 10 % der Säure werden ausgeschieden, wenn der Speisebrei in den Dünndarm gelangt, und werden durch die Dehnung des Dünndarms und durch Aminosäuren stimuliert. Die Zwölffingerdarmzellen setzen Entero-Oxyntin frei, das auf die Parietalzellen wirkt, ohne das Gastrin zu beeinflussen. ⓘ
Zu den Erforschern der Magensekretion gehört der Amerikaner William Beaumont, der ab 1825 Experimente dazu anstellte, nachdem er den Frankokanadier Alexis St. Martin behandelt hatte, welcher 1822 eine Magenfistel nach einer Schrotschussverletzung zurückbehalten hatte. Im Jahr 1833 veröffentlichte Beaumont die Ergebnisse seiner Forschung und ließ diese auf eigene Kosten drucken. Beaumont hatte festgestellt, dass Magensaft die Fähigkeit hat, Eiweiß gerinnen zu lassen und antiseptisch zu wirken. Zudem erkannte er, dass der Saft freie Salzsäure enthält und dass die Sekretion psychischen Einflüssen unterliegt. ⓘ
Die Salzsäure als Magensäure setzt sich zum Schutz des Magenepithels erst extrazellulär zusammen. Die Belegzellen sezernieren dabei nur Chloridionen, was einen komplexen und energieintensiven Vorgang voraussetzt. In einem mehrstufigen Prozess werden dabei zum einen Oxonium-Ionen erzeugt und eingebracht und in einem zweiten Prozess Chloridionen aus dem Blutplasma eingetauscht. Im Einzelnen sind die Schritte:
- Durch Carboanhydrase katalysierte Bildung von H+-Ionen in den Zellen. Die Belegzellen der Magenschleimhaut stellen aus Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) Protonen (H+) und Hydrogencarbonat (HCO3−) her. ⓘ
- CO2 + H2O → HCO3− + H+ ⓘ
- Austausch von H+ gegen K+ mittels einer Protonen-Kalium-Pumpe (siehe dort).
- Austausch des gebildeten HCO3− durch Cl− aus dem Blutplasma.
- Rezirkulation von K+ und gleichzeitige Abgabe von Cl− in den Magen mittels passiver Transportmechanismen. ⓘ
Regulierung der Sekretion
Die Magensäureproduktion wird sowohl durch das autonome Nervensystem als auch durch verschiedene Hormone gesteuert. Der Parasympathikus regt über den Vagusnerv und das Hormon Gastrin die Parietalzellen zur Produktion von Magensäure an, und zwar sowohl direkt durch Einwirkung auf die Parietalzellen als auch indirekt durch die Stimulierung der Sekretion des Hormons Histamin aus enterochromaffinen Zellen (ECL). Vasoaktives intestinales Peptid, Cholecystokinin und Sekretin hemmen die Produktion. ⓘ
Die Produktion von Magensäure im Magen wird durch positive Regulatoren und negative Rückkopplungsmechanismen streng reguliert. Vier Arten von Zellen sind an diesem Prozess beteiligt: Parietalzellen, G-Zellen, D-Zellen und enterochromaffine Zellen. Außerdem beeinflussen die Endigungen des Vagusnervs (CN X) und des intramuralen Nervengeflechts im Verdauungstrakt die Sekretion erheblich. ⓘ
Die Nervenendigungen im Magen sezernieren zwei stimulierende Neurotransmitter: Acetylcholin und gastrinfreisetzendes Peptid. Sie wirken sowohl direkt auf die Parietalzellen als auch über die Sekretion von Gastrin aus G-Zellen und Histamin aus enterochromaffinen Zellen. Gastrin wirkt direkt und indirekt auf die Parietalzellen, indem es die Freisetzung von Histamin stimuliert. ⓘ
Die Freisetzung von Histamin ist der wichtigste positive Regulationsmechanismus der Magensäuresekretion im Magen. Seine Freisetzung wird durch Gastrin und Acetylcholin stimuliert und durch Somatostatin gehemmt. ⓘ
Neutralisierung
Im Zwölffingerdarm wird die Magensäure durch Bikarbonat neutralisiert. Dadurch werden auch Magenenzyme blockiert, die ihr Optimum im sauren Bereich des pH-Wertes haben. Die Sekretion von Bikarbonat aus der Bauchspeicheldrüse wird durch Sekretin angeregt. Dieses Polypeptidhormon wird von sogenannten S-Zellen in der Schleimhaut des Zwölffingerdarms und des Jejunums aktiviert und ausgeschüttet, wenn der pH-Wert im Zwölffingerdarm unter 4,5 bis 5,0 fällt. Die Neutralisation wird durch die folgende Gleichung beschrieben:
- HCl + NaHCO3 → NaCl + H2CO3 ⓘ
Die Kohlensäure gleicht sich durch die Katalyse der an die Darmepithelschleimhaut gebundenen Enzyme der Kohlensäureanhydrase rasch mit Kohlendioxid und Wasser aus, was zu einer Nettofreisetzung von Kohlendioxidgas im Lumen in Verbindung mit der Neutralisierung führt. Im absorbierenden oberen Darm, wie z. B. dem Zwölffingerdarm, tendieren sowohl das gelöste Kohlendioxid als auch die Kohlensäure dazu, sich mit dem Blut auszugleichen, was dazu führt, dass der größte Teil des bei der Neutralisierung entstehenden Gases über die Lunge ausgeatmet wird. ⓘ
Rolle bei Krankheiten
Bei Hypochlorhydrie und Achlorhydrie gibt es wenig oder keine Magensäure im Magen, was zu Problemen führen kann, da die desinfizierenden Eigenschaften des Magenlumens verringert sind. Unter diesen Bedingungen besteht ein höheres Risiko für Infektionen des Verdauungstrakts (z. B. Infektionen mit Vibrio- oder Helicobacter-Bakterien). ⓘ
Beim Zollinger-Ellison-Syndrom und bei Hyperkalzämie ist der Gastrinspiegel erhöht, was zu einer übermäßigen Magensäureproduktion führt, die Magengeschwüre verursachen kann. ⓘ
Bei Krankheiten, die mit übermäßigem Erbrechen einhergehen, entwickeln die Patienten eine hypochlorämische metabolische Alkalose (verminderter Säuregehalt des Blutes durch H+- und Chlorverarmung). ⓘ
Pharmakologie
Das Enzym Protonenpumpe ist das Ziel von Protonenpumpenhemmern, die bei Erkrankungen mit Säureüberschuss den pH-Wert des Magens anheben (und damit den Säuregehalt des Magens verringern). H2-Antagonisten verringern indirekt die Magensäureproduktion. Antazida neutralisieren die vorhandene Säure. ⓘ
Geschichte
Die Rolle der Magensäure bei der Verdauung wurde in den 1820er und 1830er Jahren von William Beaumont an Alexis St. Martin nachgewiesen, der infolge eines Unfalls eine Fistel (Loch) im Magen hatte, die es Beaumont ermöglichte, den Verdauungsprozess zu beobachten und die Magensäure zu extrahieren, wodurch er nachweisen konnte, dass die Säure eine entscheidende Rolle bei der Verdauung spielt. ⓘ