Die Blutzuckerregulierung

Eine lebenswichtige Voraussetzung für viele Funktionen im Körper ist ein gleich bleibender Blutzuckerspiegel (Homöostase). Ähnlich einer Wippe schwankt der Blutzuckerspiegel in einem bestimmten Bereich nach oben und unten, den man physiologische Schwankungsbreite nennt. Für Blutzucker liegt er normalerweise zwischen 60 - 100 mg/dl (3,3 - 5,5 mmol/l).

Homöostase

Der Begriff kommt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie "gleicher Zustand". Damit ist gemeint, dass der Organismus einen Zustand anstrebt, in dem er optimal funktioniert. Das gelingt durch die Kombination von zwei gegensinnig wirkenden Mechanismen, die einen Wert zwischen einer oberen und einer unteren Grenze einpendeln. Das gilt nicht nur für den Blutzuckerspiegel, sondern diese Art des Regelkreises kommt überall im Körper vor (z.B. Regulation von Atmung, Blutdruck, Körpertemperatur usw.).

Insulin

Nach einer Mahlzeit steigt der Blutzuckerspiegel sprunghaft an und übersteigt den oberen Sollwert erheblich (bis über 200 mg/dl, 11,1 mmol/l). Insulin wird dadurch ins Blut ausgeschüttet und senkt den Blutzuckerspiegel recht schnell. Durch die anhaltende Wirkung des Insulins bis zu dessen biologischem Abbau wird aber der Blutzucker weiter gesenkt. Die Insulinwirkung hält zu lange an und wird nicht gehemmt. Es droht eine überschießende Situation: eine Unterzuckerung, die aber von der Glucagonwirkung verhindert wird. Insulin ist also nur für die obere Grenze zuständig, die der Blutzuckerspiegel nicht überschreiten darf.

Glucagon

Fällt der Blutzucker unter einen kritischen Wert (~ 65 mg/dl, 3,6 mmol/l), dann entsteht ein Hungerzustand und Glucagon wird freigesetzt. Es steigert den Blutzucker ungebremst, bis ein stark erhöhter Blutzuckerwert die Ausschüttung des Hormons stoppt. Die Glucagonwirkung hält aber noch bis zum biologischen Abbau des Hormons an, so dass eine Überzuckerung droht, die von Insulin gebremst wird. Somit setzt Glucagon nur einen unteren Grenzwert für den Blutzuckerspiegel.

Kombination zweier Hormone

Durch die Kombination dieser zwei gegensinnig wirkenden Hormone, kommt es zu einer wirkungsvollen Regulierung mit einer geringen Schwankungsbreite für den Blutzucker. Beide Hormone werden bei einem Grenzwert freigesetzt und wirken solange, bis dieser Sollwert wieder erreicht ist. Der Blutzucker schwankt in einem vorgegebenen Bereich, in dem die Versorgung des Organismus bestens gewährleistet ist.

Das Hormon Insulin

Insulin ist das einzige Hormon in unserem Körper, das den Blutzucker senken kann. Es ist eine Eiweißverbindung und gehört zu den Peptidhormonen. Insulin wird in den nach Langerhans benannten Inselzellen der Bauchspeicheldrüse hergestellt.

Insulin steht schnell zur Verfügung

Die neu in den Inselzellen der Bauchspeicheldrüse hergestellten Hormonmoleküle müssen ins Blut abgegeben werden (Sekretion), um ihre Wirkung an den insulinabhängigen Geweben entfalten zu können, insbesondere in der Leber, im Muskelgewebe und in den Fettzellen. Insulin kann den Blutzucker effektiv senken und deshalb muss es eine Regelung der Insulinausschüttung geben, damit nur zur richtigen Zeit die richtige Menge Insulin im Blut zirkuliert und keine Unterzuckerung (Hypoglykämie) entsteht. Die Inselzellen brauchen Informationen über den aktuellen Blutzuckerspiegel. Steigt der Blutzuckergehalt an, wird die Hormonproduktion in den Inselzellen angeregt. Sinkt er ab, wird die Herstellung verlangsamt und der Rest gespeichert. Der Körper produziert etwa 1 IE Insulin pro Stunde.

Erst durch Kürzung aktiv

Insulin ist ein sehr kleines Molekül und wird zunächst als eine viel längere Eiweißkette hergestellt, die dann, wenn sie richtig gefaltet ist, in die richtige Länge gekürzt wird. Übrig bleibt das aktive Hormon Insulin. Das abgeschnittene Stück ist die C-Kette oder das C-Peptid. Es hat im Körper keine weitere Funktion, bleibt aber länger im Blut als Insulin (Insulin knapp 5 Minuten, C-Peptid ca. 20 Minuten). Es wird manchmal gemessen, um die Sekretionsfähigkeit der Bauchspeicheldrüse zu überprüfen oder um einen Tumor (Insulinom) auszuschließen.

Der Zuckertransport im Körper

Der Zuckertransport im Körper ist eine der wichtigsten Voraussetzungen für die Aufrechterhaltung der Funktionen jeder einzelnen Zelle in unserem Körper. Deshalb versucht der Körper den Blutzuckerspiegel in einem möglichst konstanten Bereich zu erhalten, der zwischen 60 und 120 mg/dl (3,3 - 6,6 mmlo/l) Blut liegt. (Glukosehomöostase: Glukose = Traubenzucker, homoios = gleich, stase = stabiler Zustand).
Jede einzelne Körperzelle benötigt Energie, um ihre Zellstruktur aufrecht zu erhalten und um ihre speziellen Aufgaben zu erfüllen. Kommt es zum Energiemangel, dann entsteht eine große Unordnung in den Abläufen, die Herstellung von Substanzen, die ständige Erneuerung der Zellmembran sowie der Kernmembran wird gestört, der Zellkern zerfällt und die Zelle geht schließlich zugrunde.

Energielieferanten

Als Energielieferanten dienen Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße , die im Rahmen der Verdauung in ihren kleinsten Bausteinen von den Schleimhautzellen des Dünndarms aufgenommen werden. Kohlenhydrate und Eiweiße sind wasserlöslich (hydrophil), können also frei im Blut schwimmen, und werden in ihren kleinsten Einheiten, also in einzelnen Molekülen, direkt ins Blut abgegeben. Über die Darmvenen und die Pfortader wird Zucker zuerst in die Leber transportiert und danach über den großen Körperkreislauf zu den einzelnen Zellen der anderen Organe und Gewebe.

Eiweiß, das ebenfalls wasserlöslich ist, wird ähnlich dem Zucker, direkt ins Blut aufgenommen und zur Leber transportiert.

Anders beim Fett, das wasserabweisend (hydrophob) ist. Fette (Fettsäure, Cholesterin, Phospholipide) können nicht einfach ins Blut aufgenommen werden. Es wird in feiste Tröpfchen umgebildet (Chylomikronen) und in der Darmlymphe, die ein weißlich-trübes Aussehen hat, in einem eigenen Gangsystem in den großen Venenkreislauf eingeleitet und über den Körperkreislauf im Körper verteilt.

Insulinabhängige Gewebe

Die Zuckerverwertung ist bei einigen Körpergeweben unterschiedlich geregelt. Die meisten Körpergewebe sind insulinabhängige Gewebe, die nur in Anwesenheit von Insulin die Zuckermoleküle aus dem Blut aufnehmen können. Einige Gewebe werden nicht von Insulin beeinflusst, sind also insulinunabhängig und haben immer die gleiche Anzahl an Zuckerschleusen in der Zellmembran, wodurch sie bei ausgeglichenem Blutzuckerspiegel eine gleich bleibende Menge an Zucker aufnehmen. Daraus ergibt sich eine gleich bleibende Zellleistung, die sich auch bei körperlicher Anstrengung nicht ändert bzw. nicht ändern muss.

Insulinabhängige Gewebe: (Auswahl)

• Lebergewebe

• Muskelgewebe

• Fettgewebe

• Leukocyten (weiße Blutkörperchen)

• Erythrocyten (rote Blutkörperchen)

• milchproduzierende Brustdrüsen

Insulinunabhängige Gewebe:

• Gehirn und Rückenmark (ZNS)

• Nieren

• Darmschleimhaut

Das Gehirn ist auf die Verwertung von Glukose spezialisiert und deckt daraus den Großteil seines Energiebedarfs. Blutfette können wegen der Transporteiweiße die Blut-Hirn-Schranke, eine Schutzeinrichtung des Gehirns, nicht überwinden und entfallen als Energielieferant. Eine alternative Energiequelle für das Gehirn sind Ketonkörper (ein Zwischenprodukt aus dem Fettstoffwechsel), die aber erst nach längerem Fasten in ausreichender Menge zur Verfügung stehen.

Erythrocyten sind auf Glukose als Energiequelle angewiesen, weil sie keine Mitochondrien haben. Das sind kleine Kraftwerke, in denen in speziellen chemischen Reaktionen Energie gewonnen wird.

Wie kommt der Zucker in die Zelle?

Bei der Frage, wie der Zucker in die Zellen kommt, gibt es ein großes Problem. Zucker ist ein wasserlösliches (hydrophiles) Molekül und kann deshalb frei im Blut mitschwimmen, ohne eigene Transportvehikel zu benötigen. Um in eine Zelle hineinzugelangen, muss aber der Zucker eine wasserabweisende (hydrophobe) Barriere, die Zellmembran, überwinden.

Glukosetransporter

Damit die Zuckermoleküle durch die Zellmembran hindurchgelangen können, sind bestimmte Transportkanäle in die Zellmembran eingebaut. Diese Schleusen sind speziell auf Blutzucker eingestellt und erkennen die Zuckermoleküle wie ein Rezeptor. Dockt ein Zuckermolekül an, dann schleusen die Glukosetransporter den Zucker in die Zelle hinein. Die Aufnahmegeschwindigkeit des Zuckers aus dem Blut in die Zelle hängt dabei von der Anzahl der Zuckertransporter ab.

Insulin erhöht die Anzahl der Zuckerschleusen

Der Insulinspiegel im Blut steigt nach einer Mahlzeit durch die Erhöhung des Blutzuckerspiegels an. An den Zellen entfaltet Insulin seine Wirkung so, dass die Anzahl der Zuckerschleusen vermehrt wird und sich dadurch die Zuckeraufnahme in die Zelle erhöht. Indem die Zuckermoleküle in die Zellen aufgenommen werden, sinkt der Blutzuckerspiegel und damit auch der Insulinspiegel wieder. Die Anzahl der Zuckerschleusen wird wieder verringert.

Insulinwirkung in der Leber

Die Leber ist ein insulinabhängiges Organ und hat eine Sonderstellung. Da die Leber über die Pfortader die im Dünndarm aufgenommenen Zucker- und Eiweißbausteine quasi frei Haus direkt angeliefert bekommt, besteht eine Aufgabe darin, einen großen Anteil des ankommenden Zuckers in Form von Glykogen zu speichern. Insulin hat in der Leber folgende Wirkung:

Stärkebildung = Glykogen-Aufbau (Glykogensynthese)

Glykogen ist aus Zuckermolekülen aufgebaute tierische Stärke und eine Speicherform von Energie. Die Leber kann soviel Glykogen speichern, dass es als schnell verfügbare Notreserve die Zuckerversorgung für etwa 8 Stunden aufrecht erhalten kann. Der größte Zuckerabnehmer ist das Gehirn mit einem Verbrauch von ca. 140 g pro Tag.
Insulin fördert den Stärkeaufbau (anabole Reaktion) und füllt als erstes den Speicher der Leber auf.

Stärkeabbau = Glykogen-Abbau (Glykogenolyse)

Sinkt der Blutzuckerspiegel unter das Soll-Niveau, so werden Zuckermoleküle aus dem Glykogenabbau freigesetzt, um den Blutzuckergehalt im Blut wieder anzuheben.
Insulin hemmt den Stärkeabbau (katabole Reaktion) und erhält so den Zuckerspeicher.

Zuckerabbau = Glykolyse (katabole Reaktion)

Damit eine Zelle die für ihre inneren Funktionen notwendige Energie erhält, ist sie in der Lage, das Zuckermolekül (Glukose) aufzubrechen und die dabei freiwerdende chemische Bindungsenergie zu verwerten.
Insulin fördert den Zuckerabbau. Dadurch erhöht sich der Stoffwechsel innerhalb der Zelle.

Zuckerneubildung = Glukoneogenese (anabole Reaktion)

Außer der Leber ist nur noch die Niere in der Lage, neue Zuckermoleküle aufzubauen.
Insulin hemmt die Zuckerneubildung. Dadurch wird eine Vermehrung der Zuckermoleküle im Zellinneren vermieden, da diese jetzt aus dem Blut eingeschleust werden.

Insulinwirkung im Muskel

Die Wirkung von Insulin ist in der Muskulatur noch stärker auf die Energiebereitstellung ausgerichtet als in anderen Geweben. Muskeln gehören zum Bewegungsapparat und ihre Aufgabe ist statische Haltearbeit, um unseren Körper zu stabilisieren, und mechanische Arbeit, um den Körper zu bewegen. Als substanzaufbauendes Hormon (anabole Wirkung) wirkt Insulin wie ein Wachstumshormon.

Die Insulinwirkung auf den Zuckerstoffwechsel im Muskel

• Erhöhung des Zuckereinstroms durch Vermehrung der Zuckerschleusen.

• Förderung der Stärkebildung = Glykogen-Aufbau: Die Muskulatur verfügt über einen Stärkespeicher von etwa 150 g.

• Hemmung des Stärkeabbaus = Glykogenolyse: Erhaltung des Stärkespeichers.

• Förderung des Zuckerabbaus = Glykolyse: Bereitstellung von Energie für Muskelarbeit.

Die Insulinwirkung auf den Eiweißstoffwechsel im Muskel

• Erhöhung der Eiweißaufnahme in die Zelle

• Förderung des Eiweißaufbaus = Proteinbiosynthese:
  Bildung von Myoglobin, einem speziellen Muskeleiweiß.

• Hemmung des Eiweißabbaus = Proteolyse

• Hemmung der Abgabe von Aminosäuren ins Blut

Insulinwirkung im Fettgewebe

Die Wirkung von Insulin im Fettgewebe ist umfangreich und lässt sich in vier Hauptwirkungen aufgliedern. Die Rede ist hier vom Speicherfett als insulinabhängiges Organ.

Fett als optimaler Energiespeicher

Die Fettzellen speichern hauptsächlich Triglyceride, die aus drei Fettsäuren und einem Glycerinmolekül bestehen. Speichert man eine gleiche Energiemenge in Form von Triglyceriden (Fett) und als Glykogen (Stärke), so hat die Fettspeicherversion etwa nur die Hälfte des Gewichts der Zuckerspeicherversion. Das hat Auswirkungen auf das Körpergewicht, denn ein leichter Körper ist mobiler. Außerdem ist der Energiegehalt von 1 Gramm Fettgewebe etwa 8 kcal gegenüber nur 1 kcal des Glykogens im Muskelgewebe. Die Energiespeicherung in Form von Fettgewebe ist am ökonomischsten.

Die Insulinwirkung auf Fettzellen

• Förderung des Zuckereinstroms durch Vermehrung der Zuckerschleusen.

• Vermehrung der Bildung von Fettsäuren aus Zuckerbestandteilen und Bildung von Triglyceriden.

• Erhöhung der Fettsäureaufnahme in die Zelle durch Aktivierung eines Schleusenenzyms (Lipoproteinlipase).

• Hemmung des Fettabbaus (Lipolyse).

Sind die Körperzellen durch die Insulinwirkung mit Zucker aufgefüllt, wird der überschüssige Anteil der Glukose ebenfalls durch die Insulinwirkung in Fettsäuren umgewandelt und gespeichert. Bei Insulinmangel (Diabetes mellitus Typ 1, Insulinresistenz) besteht ein ungebremster Abbau der Triglyceride, weil die hemmende Wirkung des Insulins fehlt. Die dadurch frei werdenden Fettsäuren werden in der Leber abgebaut und es entstehen Ketonkörper. Diese können zu einer gefährlichen Übersäuerung des Blutes (Ketoacidose) führen.

Insulinwirkungen

Insulinwirkungen

Gewebe	Insulin fördert und erhöht (anabole Wirkung)	Insulin hemmt und vermindert (antikatabole Wirkung)
Muskulatur	Zuckeraufnahme in die Zellen Stärkebildung (Glycogensynthese) Zuckerabbau (Glycolyse) Eiweißaufnahme in die Zelle Eiweißneubildung (Proteinsynthese)	Stärkeabbau (Glycogenolyse) Eiweißabgabe ins Blut Eiweißabbau (Proteolyse)
Leber	Zuckeraufnahme in die Zellen Stärkebildung (Glycogensynthese) Fettsäureneubildung (Lipogenese)	Zuckerneubildung (Gluconeogenese) Stärkeabbau (Glycogenolyse) Fettabbau (Lipolyse) mit Ketonkörperbildung (Ketogenese) Eiweißabbau (Proteolyse)
Fettgewebe	Zuckeraufnahme in die Zellen Glycerinbildung Fettsäureneubildung (Liponeogenese)	Fettabbau (Lipolyse) mit Ketonkörperbildung (Ketogenese)

Bei einem Insulinmangel fehlt sowohl die fördernde als auch die hemmende Wirkung auf den Stoffwechsel. Ohne Insulin ist kein Leben möglich.

Diabetes mellitus Typ 1
Diabetes mellitus Typ 2

Das Hormon Glucagon

Glucagon ist das wichtigste Hormon, um den Blutzuckerspiegel anzuheben. Es wird wie auch Insulin in den nach Langerhans benannten Inselzellen der Bauchspeicheldrüse hergestellt. Das Hormon sorgt dafür, dass der Körper während einer Ernährungspause in keine Unterzuckerung gerät. Glucagon zählt wie Adrenalin, Cortison und Wachstumshormon zu den diabetogenen (blutzuckersteigernden) Hormonen.

Gegenspieler des Insulins

Insulin ist das einzige Blutzucker senkende Hormon und seine Wirkung kann eine lebensbedrohliche Unterzuckerung auslösen. Glucagon steuert dem entgegen und hemmt alle von Insulin stimulierten Stoffwechselvorgänge oder lässt sie in die andere Richtung ablaufen. Sinkt der Blutzucker unter einen kritischen Wert, dann wird Glucagon aus der Bauchspeicheldrüse ins Blut abgegeben. Der ansteigende Zuckerspiegel hemmt dann die Hormonausschüttung wieder.

Zuckerbereitstellung

Die Hauptwirkung von Glucagon beruht auf dem Stärkeabbau und der Zuckerneubildung. Die Leberzellen haben Rezeptoren für Glucagon, das von der Bauchspeicheldrüse über die Pfortader auf kürzestem Weg direkt dorthin gelangt. Kommt es zu einer Hormon-Rezeptor-Bindung, dann wird im Inneren der Leberzellen ein Enzym aktiviert, das die Wirkung von Insulin aufhebt. Stärke (Glykogen) wird nun in einzelne Zuckermoleküle aufgespaltet. Aus dem Endprodukt des Zuckerstoffwechsels (Pyruvat, Laktat), das in anderen Organen bei der Energiegewinnung entsteht, wird Glukose neu gebildet und ins Blut abgegeben. Nur die Leber kann genügend Zucker neu bilden und freisetzen. Die in den Nieren gebildete Zuckermenge, die bei der Entgiftung von Harnstoff entsteht, reicht nicht aus, den Körperbedarf zu decken. Der in der Muskulatur gespeicherte Zucker (Glukose-6-Phosphat) kann die Muskelzellen nicht verlassen und dient der eigenen Energieversorgung bei Spitzenleistungen.

Helfer in der Not

Bei Menschen mit Diabetes mellitus kann Glucagon als Medikament gespritzt werden, wenn starke Unterzuckerungserscheinungen (Hypoglykämie) mit Traubenzucker allein nicht mehr beherrschbar sind.

Das Hormon Insulin
Diabetes mellitus Typ 1
Diabetes mellitus Typ 2
Zuckerentgleisung

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate = Zucker

Kohlenhydrate sind chemische Verbindungen, die aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen. Sie sind neben Eiweiß und Fett ein Energielieferant, der schnell zur Verfügung gestellt und der den Körperzellen rasch zugeführt werden kann. Kohlenhydrate zählen somit zur "schnellen Energie".
1 Gramm Kohlenhydrate entspricht 4 kcal.

Monosaccharide = Einfachzucker
Glukose	Traubenzucker
Fruktose	Fruchtzucker
Galaktose	Schleimzucker
Disaccharide = Doppelzucker
Saccharose	Haushaltszucker	Glukose + Fruktose
Laktose	Milchzucker	Galaktose + Glukose
Maltose	Malzzucker	Glukose + Glukose
Polysaccharide = Mehrfachzucker
Amylose	pflanzliche Stärke	geradkettig
Amylopectin	pflanzliche Stärke	verzweigtkettig
Glykogen	tierische Stärke	verzweigtkettig
unverdauliche Ballaststoffe
Zellulose	pflanzliches Gerüstmolekül	geradkettig
Inulin	pflanzliches Reservemolekül	geradkettig

Diabetes Typ 1
Diabetes Typ 2

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