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B978-3-437-41784-9.00008-7

10.1016/B978-3-437-41784-9.00008-7

978-3-437-41784-9

Der Verlauf der Plasmaspiegel von Glucose, Ketonkörpern und freien Fettsäuren während einer Hungerperiode.

Deckung des Energiebedarfs des Gehirns zu Anfang und im Verlauf einer Hungerperiode

Tab. 8.1
Brennstoffquelle Brennstoffverbrauch des Gehirns aus dieser Quelle pro 24 Stunden
Tag 1 Tag 3 Tag 30
Glucose ca. 150 g ca. 100 g ca. 40 g
Ketonkörper ca. 50 g ca. 100 g

Anpassung der Speicherverwertung im Verlauf einer Hungerperiode

Tab. 8.2
mobilisierte/synthetisierte Brennstoffe mobilisierte/synthetisierte Menge pro 24 Stunden
Tag 3 Tag 30
Fettsäuren 180 g 180 g
Muskelprotein 75 g 20 g
Glucose (von der Leber neu synthetisiert) 150 g 80 g
Ketonkörper 150 g 150 g

Regulation des Stoffwechsels

M. Folkerts

  • 8.1

    Wiederholung der wichtigsten Stoffwechselwege189

    • 8.1.1

      Kohlenhydratstoffwechsel189

    • 8.1.2

      Pyruvat-Dehydrogenase, Citratzyklus und oxidative Phosphorylierung190

    • 8.1.3

      Fettstoffwechsel190

  • 8.2

    Bildung von Energiespeichern191

    • 8.2.1

      Schnell eintretende Insulineffekte191

    • 8.2.2

      Langsam eintretende Insulineffekte192

  • 8.3

    Speicherverwertung192

    • 8.3.1

      Wirkung von Glucagon192

    • 8.3.2

      Wirkung von Katecholaminen193

    • 8.3.3

      Wirkung von Glucocorticoiden193

  • 8.4

    Anpassung der Speicherverwertung an Stoffwechselveränderungen193

    • 8.4.1

      Anpassung an Nahrungskarenz193

    • 8.4.2

      Anpassung an körperliche Anstrengung195

  • 8.5

    Pathobiochemie195

    • 8.5.1

      Diabetes mellitus195

    • 8.5.2

      Adipositas196

    • 8.5.3

      Angeborene Störungen der Energiespeicherverwertung196

IMPP-Hits

  • Regulation der Energiespeicherbildung und -verwertung durch Insulin und Glucagon

  • Regulation der Energiespeicherverwertung durch Katecholamine und Glucocorticoide

  • Mechanismen der Stoffwechselumstellung bei Nahrungskarenz und körperlicher Anstrengung

  • Auswirkungen von Insulinmangel und Insulinresistenz auf den Stoffwechsel (Diabetes mellitus)

Wiederholung der wichtigsten Stoffwechselwege

Kohlenhydratstoffwechsel

Glykolyse (3.3)
  • KohlenhydratstoffwechselKohlenhydratstoffwechsel:GlykolyseLokalisation: Zytosol

  • Spaltung eines Moleküls Glucose in zwei Moleküle Pyruvat

  • Dabei Entstehung von zwei Molekülen ATP und zwei Molekülen NADH+H+

  • Anaerobe Bedingungen: Umwandlung von Pyruvat in Lactat (Lactatdehydrogenase) unter Regeneration von NAD+

  • Aerobe Bedingungen: vollständige Oxidation von Pyruvat (Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion und Citratzyklus), Rückoxidation von NADH+H+ unter deutlich höherem Energiegewinn in der Atmungskette

  • Schrittmacherenzym: Phosphofructokinase (PFK 1):

    • Hemmung durch ATP und Citrat

    • Aktivierung durch AMP und Fructose-2,6-bisphosphat

  • Hormonelle Regulation: Stimulation durch Insulin, Hemmung durch Glucagon

Pentosephosphatweg (3.5)
  • Kohlenhydratstoffwechsel:PentosephosphatwegLokalisation: Zytosol

  • Irreversible oxidative Phase 1: Synthese von Pentosen für die Nukleotidbiosynthese (Ribose-5-phosphat) aus Glucose-6-phosphat und von NADPH+H+ für reduktive Biosynthesen (z. B. Fettsäuresynthese)

  • Reversible nichtoxidative Phase 2: Bei Energiebedarf werden Pentosen in Glykolysezwischenprodukte umgewandelt, bei Bedarf an Pentosen (z. B. für DNA- und RNA-Synthese) Reaktionsablauf in umgekehrter Richtung

Gluconeogenese (3.4)
  • Kohlenhydratstoffwechsel:GluconeogeneseLokalisation: Mitochondrien (Pyruvat-Carboxylase) und Zytosol (weitere Reaktion) der Leber und Niere

  • Bildung von Glucose aus Lactat, Glycerin und glucogenen Aminosäuren

  • Regulierte Enzyme: Fructose-1,6-bisphosphatase, Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase, Pyruvat-Carboxylase

    • Fructose-1,6-bisphosphatase: Aktivierung durch Citrat, Hemmung durch AMP und Fructose-2,6-bisphosphat

    • Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase, Pyruvat-Carboxylase: Hemmung durch ADP

Glykogenstoffwechsel (3.6)
  • Kohlenhydratstoffwechsel:GlykogenstoffwechselGlykogensynthese durch Glykogen-Synthase

  • Glykogenabbau durch Glykogen-Phosphorylase

  • Regulation durch hormoninduzierte reversible Phosphorylierung der Glykogen-Synthase und der Glykogen-Phosphorylase

Pyruvat-Dehydrogenase, Citratzyklus und oxidative Phosphorylierung

Pyruvat-Dehydrogenase (5.2)
  • Pyruvat-DehydrogenaseLokalisation: Mitochondrien

  • Decarboxylierung von Pyruvat unter aeroben Bedingungen durch Pyruvat-Dehydrogenase (PDH) zu Acetyl-CoA

  • Regulation der PDH sowohl durch reversible Phosphorylierung (inaktive phosphorylierte Form, aktive dephosphorylierte Form) als auch durch Ausgangsstoffe, Produkte und Cofaktoren:

    • Hemmung durch ATP, Acetyl-CoA und NADH+H+

    • Aktivierung durch ADP, Pyruvat und NAD+

Citratzyklus und oxidative Phosphorylierung (5.3, 6.3)
  • oxidative PhosphorylierungCitratzyklusLokalisation: Mitochondrien

  • gemeinsame Endstrecke des oxidativen Kohlenhydrat-, Fett- und Aminosäureabbaus (Acetyl-CoA)

  • Abbau eines Acetyl-CoA-Moleküls zu CO2 liefert ein GTP sowie Reduktionsäquivalente (ein FADH2, drei Moleküle NADH+H+), die in der Atmungskette unter Energiegewinn rückoxidiert werden

  • Regulation des Citratzyklus auf der Stufe der Isocitrat-Dehydrogenase und der -Ketoglutarat-Dehydrogenase:

    • Hemmung durch ATP und NADH+H+

    • Aktivierung durch ADP

Fettstoffwechsel

Fettsäuresynthese (4.5)
  • FettstoffwechselFettstoffwechsel:FettsäuresyntheseLokalisation: Zytosol

  • Ausgangssubstanz: Acetyl-CoA, Transport aus den Mitochondrien ins Zytosol in Form von Citrat mithilfe des Citrat-Malat-Shuttles

  • Übertragung von aktivierten C2-Körpern auf einen an den Fettsäure-Synthase-Komplex gebundenen Starter-Acetylrest

  • Schrittmacherenzym Acetyl-CoA-Carboxylase (Aktivierung der C2-Körper zu Malonyl-CoA):

    • Aktivierung durch Citrat

    • Hemmung durch Acyl-CoA

Fettsäureabbau (4.3)
  • Fettstoffwechsel:FettsäureabbauLokalisation: mitochondriale Matrix

  • Schrittweiser Abbau der Fettsäuren zu Acetyl-CoA

  • Entstandene Reduktionsäquivalente (NADH+H+ und FADH2) werden in der Atmungskette rückoxidiert

  • Regulation über Verfügbarkeit von NAD+ und FAD (bei Energiebedarf ausreichend vorhanden)

  • Zudem Hemmung des Fettsäuretransports in die Mitochondrien (Acylcarnitin) durch Malonyl-CoA

Bildung von Energiespeichern

Energiespeicher:Bildung

Nach der Resorption der Nahrungsbestandteile (Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren) aus dem Intestinaltrakt liegen deren Plasmakonzentrationen weit über den zur Deckung des Energiebedarfs benötigten Mengen. Infolge der erhöhten Glucosekonzentration im Plasma sezernieren die -Zellen der Langerhans-Inseln des Pankreas das anabole Hormon Insulin (Sekretionsmechanismus 13.3.1). Von besonderer Bedeutung sind die Wirkungen von Insulin auf die Muskulatur, das Fettgewebe und die Leber, die in dieser sog. resorptiven Phase zur Bildung von Glykogen und Triacylglycerinen, den Energiespeichern des Körpers, führen. Dabei unterscheidet man schnell und langsam eintretende Insulineffekte. Die schnell eintretenden Effekte haben eine Latenzzeit von Sekunden bis Minuten, die langsam eintretenden Effekte eine Latenzzeit von Stunden bis Tagen. Da sich das Ende eines Insulineffekts mit derselben Latenz bemerkbar macht, werden die schnell eintretenden Effekte auch als kurzfristig, die langsam eintretenden als langfristig bezeichnet.

Cave

Insulin signalisiert Sättigung und ist daher das Hormon der Energiespeicherbildung (Bildung von Glykogen und Fetten).

Glucagon signalisiert Hunger und ist daher das Hormon des Energiespeicherabbaus.

Schnell eintretende Insulineffekte

Energiespeicher:Insulineffekte

Hierzu zählen:

  • Verstärkter Einbau des Glucosetransporters 4 (GLUT4) in die Membranen der Skelettmuskel- und Fettgewebszellen: Er führt durch die verstärkte Glucoseaufnahme in Skelettmuskel und Fettgewebe zur Senkung der Blutglucosekonzentration. (Auch die Leber nimmt bei hohen Blutglucosekonzentrationen verstärkt Glucose auf, aber insulinunabhängig via GLUT2!)

  • Aktivierung der cAMP-spezifischen Phosphodiesterase: Sie führt zu einem Abfall der cAMP-Konzentration und dadurch zur Inaktivierung der Phosphorylase-Kinase und der Glykogen-Phosphorylase (3.6.4). Dies hat den Stopp des Glykogenabbaus in Leber und Skelettmuskel zur Folge. Über die Aktivierung der Proteinphosphatase, die die Glykogen-Synthase dephosphoryliert und dadurch aktiviert, steigert Insulin gleichzeitig die Glykogensynthese in diesen Geweben.

Der Abfall der cAMP-Konzentration führt darüber hinaus durch Hemmung der Proteinkinase A zur Aktivierung der PFK 2 (sie ist in dephosphorylierter Form aktiv) und so zu verstärkter Bildung von Fructose-2,6-bisphosphat. Dieses aktiviert die Phosphofructokinase der Leber. Außerdem begünstigt Insulin die dephosphorylierte, d. h. aktive Form der Pyruvat-Dehydrogenase. Beides stimuliert die Glykolyse.

  • Die Aktivierung der Acetyl-CoA-Carboxylase, des Schrittmacherenzyms der Fettsäuresynthese, mithilfe einer Phosphatase. Somit wird die über GLUT4 vermehrt in Fettgewebszellen aufgenommene Glucose zu Acetyl-CoA abgebaut und zur Fettsäuresynthese bzw. letztendlich zur Synthese von Triacylglycerinen verwendet.

  • Die Hemmung der Adenylatzyklase im Fettgewebe: Hierdurch sinkt die cAMP-Konzentration, was zur Inaktivierung der Triacylglycerinlipase führt. Insulin hat also auch einen antilipolytischen Effekt.

Merke

Insulin führt durch Senkung der cAMP-Konzentration zur Dephosphorylierung und somit zur Aktivierung von speicherbildenden Enzymen.

Langsam eintretende Insulineffekte

Induktion und Repression der Enzymsynthese

Insulin induziert oder reprimiert die Transkription von Genen, die für bestimmte Enzyme kodieren:

Es steigert die Glykolyse in der Leber und im Fettgewebe durch Induktion von:

  • Glucokinase (nur in der Leber)

  • Phosphofructokinase

  • Pyruvat-Kinase

Gleichzeitig reprimiert Insulin in der Leber folgende Enzyme der Gluconeogenese:

  • Pyruvat-Carboxylase

  • Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase

  • Fructose-2,6-bisphosphatase

  • Glucose-6-phosphatase

Im Fettgewebe induziert Insulin die Synthese von:

  • Acetyl-CoA-Carboxylase

  • Fettsäure-Synthase

  • Lipoproteinlipase

Die Induktion der ersten beiden Enzyme steigert die Fettsäure- bzw. Triacylglycerinsynthese. Die Induktion der Lipoproteinlipase steigert die Aufnahme von Triacylglycerinen der VLDL in die Fettgewebszellen.

Merke

Insulin induziert die Gene der Schlüsselenzyme der Glykolyse und der Fettspeicherbildung und reprimiert die Gene der Schlüsselenzyme der Gluconeogenese.

Stimulation von Aminosäureaufnahme und Proteinsynthese

Insulin stimuliert die Aufnahme von Aminosäuren vor allem in Muskelzellen. So werden unter Insulineinfluss vermehrt Alanin, Glycin, Histidin, Methionin, Prolin, Serin und Threonin in Muskelzellen aufgenommen.

Speicherverwertung

Wirkung von Glucagon

Glukagon:Wirkung

Gegen Ende der Resorptionsphase sinkt der Blutglucosespiegel zunehmend, weil Glucose in Form von Glykogen und Triacylglycerinen gespeichert wird, die Insulinsekretion wird zurückgefahren. Gleichzeitig sezernieren die -Zellen der Langerhans-Inseln des Pankreas verstärkt das katabole Hormon Glucagon (Sekretionsmechanismus 13.3.2).

Wie bei Insulin unterscheidet man schnell und langsam eintretende Glucagonwirkungen. Beide beruhen auf einer Aktivierung der Adenylatzyklase und somit auf einer Erhöhung der intrazellulären cAMP-Konzentration. Hauptzielorgan von Glucagon ist die Leber.

Schnell eintretende Wirkungen

Durch den Anstieg der cAMP-Konzentration werden mit einer Latenzzeit von Sekunden bis Minuten Proteinkinasen aktiviert. Diese bewirken eine

  • Aktivierung der Glykogen-Phosphorylase und Hemmung der Glykogen-Synthase. Die Folge ist eine Aktivierung der Glykogenolyse.

  • Aktivierung der Proteinkinase A, die die hormonsensitive (Triacylglycerin-)Lipase phosphoryliert und dadurch aktiviert. Infolgedessen werden vermehrt Triacylglycerine hydrolysiert und Fettsäuren freigesetzt (gesteigerte Lipolyse).

  • Aktivierung der FBPase. Dies führt über den Abfall der Fructose-2,6-bisphosphat-Konzentration zur Hemmung der Glykolyse.

Merke

Glucagon führt durch Erhöhung der cAMP-Konzentration zur Phosphorylierung und somit zur Aktivierung von speicherverwertenden Enzymen.

Lerntipp

Gluc-a-gon stammt aus den Alpha(-)Zellen der Langerhans-Inseln des Pankreas.

Insulin stammt aus den -Zellen der Langerhans-Inseln des Pankreas.

Langsam eintretende Wirkungen

cAMP bewirkt mit einer Latenzzeit von Stunden bis Tagen eine

  • Repression der Gene der Glykolyse-Schlüsselenzyme (Glucokinase, Phosphofructokinase, Pyruvat-Kinase),

  • Induktion der Gene der Gluconeogenese-Schlüsselenzyme (Pyruvat-Carboxylase, Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase).

Merke

Glucagon induziert die Gene der Schlüsselenzyme der Gluconeogenese und reprimiert die Gene der Schlüsselenzyme der Glykolyse.

Wirkung von Katecholaminen

Katecholaminen:Wirkung

Die Katecholamine Adrenalin und Noradrenalin werden bei körperlicher oder psychischer Belastung von den Zellen des Nebennierenmarks sezerniert und versetzen den Körper in die Lage, bei Gefahr die Flucht zu ergreifen: Sie steigern Frequenz und Kontraktionskraft des Herzens, erweitern die Blutgefäße in der Herz- und Skelettmuskulatur und verengen die Blutgefäße der übrigen peripheren Gewebe. Außerdem stimulieren sie die Verwertung der Energiespeicher, vor allem indem sie die Insulinsekretion hemmen und die Glykogenolyse und Lipolyse durch Aktivierung der Adenylatzyklase (wie Glucagon, 8.3.1) stimulieren.

Merke

Katecholamine hemmen die Insulinsekretion und stimulieren die Glykogeno- und Lipolyse.

Wirkung von Glucocorticoiden

Glucocorticoide:Wirkung

Die Wirkung des wichtigsten natürlichen Glucocorticoids, Cortisol, wird durch Bindung an einen Zellkernhormonrezeptor vermittelt. Der Hormon-Rezeptor-Komplex diffundiert in den Zellkern und induziert dort die Synthese bestimmter Enzyme. Die Wirkung tritt also langsam ein. Cortisol ist wie Glucagon und die Katecholamine ein Insulinantagonist (die Wirkungen der drei Hormonklassen auf die Energiespeicher ergänzen und verlängern sich demnach gegenseitig):

  • Durch Induktion der Pyruvat-Carboxylase und der Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase fördert Cortisol die Gluconeogenese in der Leber. Die neu synthetisierte Glucose dient dem Aufbau von Leberglykogen oder wird in die Blutbahn abgegeben. Gleichzeitig hemmt Cortisol die Glucoseaufnahme der peripheren Gewebe. Die Cortisolwirkung hat demnach einen Anstieg des Blutglucosespiegels zur Folge.

  • Cortisol stimuliert die Lipolyse im Fettgewebe. Die Abbauprodukte dienen der Gluconeogenese (Glycerin) und der Energiebereitstellung (Fettsäuren).

  • In peripheren Geweben (vor allem Muskel- und Fettgewebe) stimuliert Cortisol die Proteolyse und hemmt die Proteinbiosynthese. Die freigesetzten Aminosäuren dienen in der Leber der Gluconeogenese.

Anpassung der Speicherverwertung an Stoffwechselveränderungen

Anpassung an Nahrungskarenz

Nahrungskarenz

Zu Beginn der Nahrungskarenz kommt es infolge des abfallenden Blutglucosespiegels zu einer Abnahme der Insulin- und einer Zunahme der Glucagon- und Glucocorticoidsekretion. Die Glykogenreserven von Skelettmuskel und Leber werden aufgebraucht, allerdings deckt die in ihnen gespeicherte Energie den Energiebedarf nur für ca. 24 Stunden. Cortisol induziert den Abbau von Muskelprotein. Im Fettgewebe ist die Lipolyse gesteigert. Die freigesetzten Aminosäuren bzw. das aus Triacylglycerinen freigesetzte Glycerin werden zur Leber transportiert und dort für die Gluconeogenese verwendet. Etwa 25 % der aus Triacylglycerinen freigesetzten Fettsäuren werden ebenfalls zur Leber transportiert, 75 % gelangen zu extrahepatischen Geweben (vor allem zur Muskulatur). Durch den niedrigen Insulinspiegel ist die Glucoseaufnahme in insulinabhängigem Gewebe (Fettgewebe, Muskulatur) vermindert, diese Gewebe verbrennen nun hauptsächlich Fettsäuren. Die in der Leber gebildete Glucose dient ausschließlich den auf Glucose angewiesenen Geweben – Gehirn, Erythrozyten, Zellen des Nebennierenmarks – als Energiequelle. Dadurch wird deren Versorgung mit Glucose sichergestellt und der Abbau von Muskelprotein minimiert.

Nach ca. 2 Tagen der Nahrungskarenz synthetisiert die Leber verstärkt Ketonkörper und gibt sie in die Blutbahn ab (Abb. 8.1). Als Substrat für die Synthese dient Acetyl-CoA, das durch die verstärkte Fettsäureoxidation der peripheren Gewebe vermehrt anfällt und das die Leber, da sie Oxalacetat für die Gluconeogenese verwendet, nicht in vollem Umfang in den Citratzyklus einschleusen kann. Nicht alle Gewebe können Ketonkörper auf Anhieb verwerten: Das Gehirn ist hierzu erst nach einer Nahrungskarenz von ca. 3 Tagen in der Lage, da die Bereitstellung der hierfür nötigen Enzyme eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt (Tab. 8.1). Dann jedoch deckt es den Großteil seines Energiebedarfs mit Ketonkörpern. Dadurch sinkt der Glucosebedarf und das Ausmaß der Gluconeogenese sowie der Abbau von Muskelprotein können fürs Erste zurückgefahren werden (Tab. 8.2).

Über die Überlebensdauer während einer Hungerperiode entscheidet folglich die Menge der gespeicherten Triacylglycerine, da nach deren Verwertung nur noch Proteine als Energielieferanten zur Verfügung stehen und ein fortschreitender Proteinabbau letztendlich nicht mit dem Leben vereinbar ist. Ein gut genährter Mensch ist durch die Verwertung seiner Energiespeicher in der Lage, je nach körperlicher Aktivität Hungerperioden von 1 bis 3 Monaten Dauer zu überstehen.

Anpassung an körperliche Anstrengung

Bei körperlicher Anstrengung wird der Energiebedarf des Organismus je nach Dauer und Intensität der Aktivität aus verschiedenen Energiereserven gedeckt:

  • Bei kurzer intensiver körperlicher Anstrengung – z. B. einem 100-Meter-Lauf – wird der ATP-Bedarf durch vorhandenes ATP, aus Kreatinphosphat (durch Übertragung der Phosphatgruppe) regeneriertes ATP und die anaerobe Glykolyse von Glucose aus Muskelglykogen gedeckt. Letztere führt zur Freisetzung von Lactat und damit von H+-Ionen aus dem arbeitenden Muskel, sodass der pH-Wert kurzzeitig von ca. 7,4 auf ca. 7,2 sinken kann.

  • Da die ATP- und Kreatinphosphatreserven des Muskels bei intensiver Belastung innerhalb von Sekunden verbraucht sind und die anaerobe Glykolyse auf Dauer eine Azidose verursachen würde (oben), die nicht mehr sofort respiratorisch kompensiert werden kann, müssen bei körperlicher Anstrengung im Bereich von Minuten weitere Energiequellen zur Deckung des Energiebedarfs herangezogen werden. In solchen Fällen wird Glucose aus Muskelglykogen durch aerobe Glykolyse abgebaut und ATP durch oxidative Phosphorylierung gewonnen. Da diese Prozesse langsamer als die anaerobe Glykolyse oder die ATP-Bereitstellung mittels Kreatinphosphat ablaufen, kann man extreme körperliche Anstrengung – z. B. einen Sprint

  • mit Maximalgeschwindigkeit – nicht über Minuten durchhalten.

  • Bei körperlicher Anstrengung über Stunden, z. B. einem Marathonlauf, deckt der Körper seinen Energiebedarf – ungefähr jeweils zur Hälfte – durch die Verwertung von Glucose aus Muskel- und Leberglykogen sowie von Triacylglycerinen (Lipolyse und -Oxidation). Die Lipidverwertung geht langsamer vonstatten als die Glykogenverwertung. Die Regulation erfolgt durch Glucagon. Dieses wird bei Energiebedarf (niedriger Blutglucosespiegel!) vermehrt sezerniert. Infolgedessen werden verstärkt Fettsäuren aus Triacylglycerinen mobilisiert, in die Muskelzellen aufgenommen und dort verwertet. Die Konzentration von Acetyl-CoA und Citrat steigt, was zur Hemmung der Pyruvat-Dehydrogenase (Acetyl-CoA) und der Glykolyse (Citrat) führt. Auf diese Weise wird die Glucoseverwertung zurückgefahren, sobald der Fettsäureabbau in ausreichendem Umfang angelaufen ist. Wenn die Geschwindigkeit des Fettsäureabbaus mit einem steigenden Energiebedarf nicht mehr Schritt halten kann, stimuliert die Abnahme der Acetyl-CoA-Konzentration die Glucoseverwertung erneut.

Pathobiochemie

Veränderungen in der Energiespeicherbildung und -verwertung treten auch bei Diabetes mellitus, Adipositas und bei Mangel der für die Speicherverwertung notwendigen Enzyme auf.

Diabetes mellitus

BeiDiabetes mellitus Diabetes mellitus, der global wohl häufigsten Stoffwechselerkrankung, führt Insulinmangel zu einer erheblichen Störung der Glucoseverwertung. Hauptformen sind der Diabetes Typ 1 und der Diabetes Typ 2.
Diabetes Typ 1
Ursache des Typ-1-Diabetes ist die Zerstörung der -Zellen des Pankreas, die immunologisch vermittelt oder idiopathisch auftreten kann und in der Regel zum absoluten Insulinmangel führt. Da Symptome häufig bereits im Jugendalter auftreten, wurde dieser Diabetes-Typ früher auch als sog. juveniler Diabetes bezeichnet.
Da absoluter Insulinmangel besteht, kommen die Wirkungen der insulinantagonistischen Hormone – auch bei niedrigen Konzentrationen – stark zum Tragen und führen zu einer katabolen Stoffwechselsituation:
  • Durch den Insulinmangel enthält die Membran von Fettgewebs- und Skelettmuskelzellen keine GLUT4-Moleküle, sodass diese Zellen keine Glucose aufnehmen können. Die Insulinantagonisten stimulieren die Gluconeogenese. Beides lässt die Blutglucosekonzentration ansteigen. Überschreitet sie die Rückresorptionskapazität der Nieren ( Nierenschwelle), wird Glucose mit dem Urin ausgeschieden (Glucosurie).

  • Im Fettgewebe werden vermehrt Triacylglycerine gespalten. Die Fettsäuren werden in die Blutbahn abgegeben und in peripheren Geweben sowie in der Leber abgebaut, wo das anfallende Acetyl-CoA aufgrund des Gluconeogenese-bedingten Oxalacetatmangels nur begrenzt im Citratzyklus verwertet werden kann. Infolgedessen kommt es zu einer massiven Bildung von Ketonkörpern, die in die Blutbahn abgegeben und mit dem Urin ausgeschieden werden (Ketonämie bzw. Ketonurie).

Der Diabetes Typ 1 wird durch Zufuhr von Insulin behandelt. Bleibt er unbehandelt, führen die genannten Störungen zum Coma diabeticum. Ursache sind der extreme Flüssigkeitsverlust durch osmotische Diurese (die Bezeichnung Diabetes mellitus bedeutet honigsüßer Durchfluss und charakterisiert dieses Symptom) und die infolge der steigenden Glucosekonzentration erhöhte Osmolalität des Bluts, die zu einer osmotisch bedingten Exsikkose (insbesondere des Gehirns) und damit zum Koma führt. Ein weiterer Faktor ist die durch die hohe Ketonkörperkonzentration bedingte Abnahme des pH-Werts, die zunächst noch durch verstärktes Abatmen von CO2 (Kußmaul-Atmung) kompensiert wird. Bei Überschreiten der respiratorischen Kompensationsfähigkeit kommt es zur Ketoazidose.
Diabetes Typ 2
Der Typ-2-Diabetes macht 90 % aller Diabeteserkrankungen aus und tritt vorwiegend in höherem Lebensalter auf. Das Krankheitsspektrum reicht von vorwiegender Insulinresistenz mit relativem Insulinmangel bis zu einer vorwiegenden Insulinresorptionsstörung mit Insulinresistenz. Er ist häufig vergesellschaftet mit Fettleibigkeit, Hypertonie und Hyperlipidämie; diese Konstellation wird als metabolisches Syndrom bezeichnet. Es gibt eine genetische Veranlagung zum Typ-2-Diabetes, die sich bei zu geringer körperlicher Aktivität und gleichzeitiger Überernährung manifestiert.
Sind die insulinabhängigen Gewebe (Skelettmuskel, Fettgewebe) aufgrund eines Rezeptor- oder Postrezeptordefekts insulinresistent, kommt es zunächst zu einer kompensatorisch erhöhten Insulinsekretion. Im Verlauf kann es durch Erschöpfung der -Zellen auch zu einer Abnahme der Insulinsekretion kommen. Folgen der Insulinresistenz sind eine verlangsamte Glucoseaufnahme über insulinabhängige Transporter sowie teilweise eine erhöhte Gluconeogenese in der Leber, die zur Hyperglykämie führen.
Aufgrund des relativen Insulinmangels ist der Verlauf meist weniger schwer als der des Typ-1-Diabetes. Das Ausmaß der Lipolyse ist geringer, sodass es meist nicht zur Ketonkörpersynthese kommt. Aber auch beim Diabetes Typ 2 kann es durch die osmotische Wirkung der Hyperglykämie zur Glucosurie, zur Exsikkose und zum sog. hyperosmolaren Koma kommen. Da die Glucoseverwertungsstörung wegen der geringeren Symptomatik oft lange unerkannt bleibt, ist das Risiko von Folgeerkrankungen (Hypertonie, koronare Herzerkrankung, Schlaganfall, Nierenfunktionsstörungen) hoch.
Beim Typ-2-Diabetes lässt sich die Hyperglykämie anders als beim Typ 1 häufig allein durch nichtmedikamentöse Maßnahmen – Ernährungsumstellung und Gewichtsreduktion – beseitigen.

Adipositas

AdipositasAdipositas (Fettsucht) ist durch eine längerfristig über dem Energieverbrauch liegende Kalorienaufnahme bedingt. Die überschüssige Energie wird in Form von Triacylglycerinen im Fettgewebe gespeichert (auch 18.1.3).

Angeborene Störungen der Energiespeicherverwertung

Angeborene StörungenDiese seltenen Störungen betreffen die Verwertung von Glykogen (Glykogenosen) oder Triacylglycerinen (Lipoproteinlipase-Mangel) und sind in den Kapiteln 3.6.4 und 4.10.33.6.44.10.3 ausführlich beschrieben.

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