Hormonelle Steuerung des Energiestoffwechsels
Die Entdeckung des Insulins im Jahr 1921 war eines der wichtigsten Ereignisse der modernen Medizin. Sie rettete das Leben unzähliger Patienten, die an Diabetes mellitus erkrankt waren, einer Störung des Kohlenhydratstoffwechsels, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Körper nicht in der Lage ist, Insulin zu produzieren oder darauf zu reagieren. Mit der Entdeckung des Insulins begann auch das heutige Verständnis der Funktion des endokrinen Pankreas. Die Bedeutung der endokrinen Bauchspeicheldrüse liegt in der Tatsache, dass Insulin eine zentrale Rolle bei der Regulierung des Energiestoffwechsels spielt. Ein relativer oder absoluter Mangel an Insulin führt zu Diabetes mellitus, der weltweit eine der Hauptursachen für Krankheit und Tod ist.
Das Bauchspeicheldrüsenhormon Glucagon spielt in Verbindung mit Insulin ebenfalls eine Schlüsselrolle bei der Aufrechterhaltung der Glukosehomöostase und bei der Regulierung der Nährstoffspeicherung. Eine ausreichende Versorgung mit Glukose ist für ein optimales Wachstum und eine optimale Entwicklung des Körpers sowie für die Funktion des zentralen Nervensystems erforderlich, für das Glukose die Hauptenergiequelle darstellt. Daher haben sich ausgeklügelte Mechanismen entwickelt, die dafür sorgen, dass die Glukosekonzentration im Blut sowohl bei Festen als auch bei Hungersnöten innerhalb enger Grenzen gehalten wird. Überschüssige Nährstoffe, die verbraucht werden, können im Körper gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt wieder zur Verfügung gestellt werden – zum Beispiel, wenn die Nährstoffe knapp sind, wie beim Fasten, oder wenn der Körper Energie verbraucht, wie bei körperlicher Aktivität. Das Fettgewebe ist der wichtigste Ort für die Speicherung von Nährstoffen, fast ausschließlich in Form von Fett. Ein einziges Gramm Fett enthält doppelt so viele Kalorien wie ein einziges Gramm Kohlenhydrate oder Eiweiß. Darüber hinaus ist der Wassergehalt im Fettgewebe sehr gering (10 Prozent). Somit hat ein Kilogramm Fettgewebe den zehnfachen Kalorienwert wie das gleiche Gewicht an Muskelgewebe.
Nach der Nahrungsaufnahme werden Kohlenhydratmoleküle verdaut und als Glukose absorbiert. Auf den daraus resultierenden Anstieg der Glukosekonzentration im Blut folgt ein 5- bis 10-facher Anstieg der Seruminsulinkonzentration, der die Glukoseaufnahme durch Leber-, Fett- und Muskelgewebe stimuliert und die Glukosefreisetzung aus dem Lebergewebe hemmt. Fettsäuren und Aminosäuren, die aus der Fett- und Proteinverdauung stammen, werden ebenfalls von der Leber und den peripheren Geweben, insbesondere dem Fettgewebe, aufgenommen und dort gespeichert. Insulin hemmt auch die Lipolyse (den Abbau von Fett) und verhindert so die Mobilisierung von Fett. Während des „gefütterten“ oder anabolen Zustands werden also aufgenommene Nährstoffe, die nicht sofort verwertet werden, gespeichert, ein Prozess, der weitgehend von der nahrungsbedingten Zunahme der Insulinausschüttung abhängt.
Einige Stunden nach einer Mahlzeit, wenn die Aufnahme der Nährstoffe im Darm abgeschlossen ist und die Blutzuckerkonzentration auf die Werte vor der Mahlzeit gesunken ist, nimmt die Insulinausschüttung ab, und die Glukoseproduktion durch die Leber wird wieder aufgenommen, um den Bedarf des Gehirns zu decken. Auch die Lipolyse nimmt zu, wodurch Fettsäuren, die vom Muskelgewebe als Brennstoff verwendet werden können, und Glycerin, das in der Leber in Glukose umgewandelt werden kann, bereitgestellt werden. Mit zunehmender Dauer des Fastens (z. B. 12 bis 14 Stunden) sinken die Blutzuckerkonzentration und die Insulinausschüttung weiter, während die Glukagonsekretion zunimmt. Der Anstieg der Glukagonsekretion und der gleichzeitige Rückgang der Insulinsekretion stimulieren den Abbau von Glykogen zu Glukose (Glykogenolyse) und die Produktion von Glukose aus Aminosäuren und Glyzerin (Glukoneogenese) in der Leber. Nachdem das Leberglykogen aufgebraucht ist, wird die Glukosekonzentration im Blut durch Glukoneogenese aufrechterhalten. Der Fasten- oder katabole Zustand ist also durch eine verringerte Insulinsekretion, eine erhöhte Glukagonsekretion und eine Nährstoffmobilisierung aus den Speichern in Leber, Muskeln und Fettgewebe gekennzeichnet.
Bei weiterem Fasten steigt die Lipolyse-Rate mehrere Tage lang weiter an und erreicht dann ein Plateau. Ein großer Teil der aus dem Fettgewebe freigesetzten Fettsäuren wird in der Leber in Ketosäuren (Beta-Hydroxybuttersäure und Acetessigsäure, auch als Ketonkörper bekannt) umgewandelt, ein Prozess, der durch Glucagon stimuliert wird. Diese Ketosäuren sind kleine Moleküle, die zwei Kohlenstoffatome enthalten. Das Gehirn, das normalerweise Glukose zur Energiegewinnung nutzt, beginnt, zusätzlich zur Glukose auch Ketosäuren zu verwenden. Schließlich wird mehr als die Hälfte des täglichen metabolischen Energiebedarfs des Gehirns durch die Ketosäuren gedeckt, wodurch der Bedarf an Glukoseproduktion durch die Leber und der Bedarf an Glukoneogenese im Allgemeinen erheblich verringert wird. Dadurch verringert sich der Bedarf an Aminosäuren, die beim Muskelabbau entstehen, und das Muskelgewebe wird geschont. Hungern ist gekennzeichnet durch niedrige Seruminsulinkonzentrationen, hohe Serumglucagonkonzentrationen und hohe Konzentrationen an freien Fettsäuren und Ketosäuren im Serum.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Insulin im ernährten Zustand den Transport von Glukose in das Gewebe (zum Verbrauch als Brennstoff oder zur Speicherung als Glykogen), den Transport von Aminosäuren in das Gewebe (zum Aufbau oder Ersatz von Proteinen) und den Transport von Fettsäuren in das Gewebe (zur Bereitstellung eines Fettdepots für den künftigen Energiebedarf) stimuliert. Im nüchternen Zustand nimmt die Insulinsekretion ab und die Glukagonsekretion zu. Die Glykogenspeicher in der Leber und später auch die Protein- und Fettspeicher werden mobilisiert, um Glukose zu produzieren. Letztlich wird der größte Teil des Nährstoffbedarfs durch Fettsäuren gedeckt, die aus den Fettspeichern mobilisiert werden.
Robert D. Utiger