Insulin

Insulin

Glukose ist der zentrale Energieträger des menschlichen Stoffwechsels, wobei Gehirn und Erythrozyten absolut glukoseabhängig sind.
Die Glukosekonzentration im Plasma wird einerseits durch den Verbrauch, andererseits durch die Bildung von Glukose bestimmt.

 Folgende Begriffe sind für das Verständnis des Kohlenhydratstoffwechsels wichtig:

    Unter Glykolyse im engeren Sinn wird der anaerobe Abbau der Glukose zu Laktat verstanden. Glykolyse findet in den Erythrozyten, im Nierenmark und z.T. im Skelettmuskel statt. Aerob-oxidativ wird Glucose v.a. im ZNS, im Herz- und Skelettmuskel, aber auch in den meisten Organen abgebaut.
    Die Glykogenese, d.h. die Glykogenbildung aus Glukose, dient der Speicherung von Glukose und der Konstanthaltung des Blutzuckerspiegels. Im Muskel kann Glykogen nur für den Eigenbedarf des Muskels gespeichert werden.
    Als Glykogenolyse bezeichnet man den Glykogenabbau zu Glukose, also die Umkehrung von Glykogenese
    Mit Glukoneogenese wird die Neubildung von Glukose aus Nicht-Zuckern, nämlich Aminosäuren (z.B. Glutamin), Laktat (aus der anaeroben Glykolyse von Muskel und Erythrozyt) und Glyzerin (aus dem Fettabbau) bezeichnet. Wenn Insulin fehlt, wird die Glukose nicht in die Zellen aufgenommen, und der Körper beginnt Fett und Aminosäuren als Energiequelle zu nutzen und diese in Glukose umzuwandeln.
    Lipolyse ist der Abbau von Fetten, wobei Glyzerin und freie Fettsäuren entstehen.
    Mit Lipogenese ist der Aufbau von Fetten (zur Speicherung in den Fettdepots) gemeint.

Die Langerhans-Inseln in der Pankreas spielen die Hauptrolle im Kohlenhydratstoffwechsel.
Drei Zelltypen, A(α), B(β) und D(δ) werden unterschieden.

    25% der Inselzellen sind A-Zellen, die Glukagon produzieren,
    60% sind B-Zellen, die Insulin bilden,
    10% sind D-Zellen die Somatostatin ausschütten.

Diese Hormone beeinflussen gegenseitig ihre Bildung und Sekretion.
Mit dem Pfortaderblut erreichen die Hormone die Leber in hoher Konzentration.

Die Funktionen der Pankreashormone sind:

    Für die Speicherung der aufgenommenen Nahrung in Form von Glykogen und Fett zu sorgen (Insulin).
    Die Energiereserven während der Hungerphase oder bei Arbeit, Stresssituationen etc. wieder zu mobilisieren (Glukagon, Adrenalin)
    Den Blutzuckerspiegel möglichst konstant zu halten.
    Das Wachstum zu fördern

 Insulin

    Die Regulation der Glukosekonzentration im Blut erfolgt durch zwei Hormone, die in Abhängigkeit von der Blutzuckerkonzentration ausgeschüttet werden.
    Das Insulin ist das einzige Hormon, das den Blutzuckerspiegel senken kann.
    Sein Gegenspieler ist das Glukagon, dessen Hauptaufgabe es ist, den Blutzuckerspiegel zu erhöhen.
    Auch Adrenalin, Kortisol und Schilddrüsenhormone haben blutzuckersteigernde Wirkungen.
    Der Blutzuckerspiegel steigt vor allem nach der Aufnahme kohlenhydratreicher Nahrung an. Als Reaktion darauf wird von den β-Zellen Insulin ins Blut ausgeschüttet.
    Die Hauptwirkung des Insulins für die rasche Senkung der Blutzuckerkonzentration ist seine „Schlüsselfunktion“ für den Transport von Glukose aus dem Blutplasma und aus der Gewebsflüssigkeit in das Zellinnere.
    Vor allem die Leber- und Muskelzellen können in kurzer Zeit große Mengen von Glukose aufnehmen und sie in der Folge entweder in Form von Glykogen speichern oder in Energie umwandeln.
    Insulin beeinflusst den Fett- und Aminosäurestoffwechsel sowie den Kaliumhaushalt.

 Bildung

    Die Synthese des Insulins erfolgt in den β-Zellen der Langerhans’schen Inseln der Bauchspeicheldrüse.
    Insulin ist ein Peptid mit 51 Aminosäuren.
    Das Insulinmolekül besteht nun aus zwei Peptidketten, der A-Kette mit 21 und der B-Kette mit 30 Aminosäuren, welche durch zwei intermolekulare Disulfidbrücken verbunden sind.
    Die Insulinmoleküle werden in den Vesikeln des Golgi-Apparats, der an der Zellmembran der β-Zelle liegt, durch Zink-Ionen gebunden und so gespeichert (Zink-Insulin-Komplex).
    Die hohe Bindungsfreudigkeit von Insulinmolekülen an Zink spielt bei Insulinpräparaten eine wichtige Rolle. Bei langwirkenden Insulinpräparaten wird die Zinkbindung zur Verlängerung der Wirkdauer durch hohe Zinkkonzentrationen gezielt verstärkt.

 Freisetzungsmechanismus

    Der wichtigste direkte Reiz zur Ausschüttung des Insulins aus der β-Zelle ist ein steigender Blutzuckerspiegel (ab ca. 5 mmol Glucose/l Blut).
    Daneben wirkt die Anwesenheit verschiedener Aminosäuren, freier Fettsäuren und eine Reihe von hypophysären Hormonen sowie einige Steroidhormone stimulierend auf die Insulinfreisetzung.
    Durch die Hormone Gastrin und Sekretin, wird die β-Zelle ebenfalls angeregt, Insulin auszuschütten; sie sind sogar für den Großteil der Insulinausschüttung nach Nahrungsaufnahme verantwortlich.
    Die Insulinausschüttung erfolgt oszillierend. Alle drei bis sechs Minuten wird Insulin in die Blutbahn abgegeben.
    Nach der Nahrungsaufnahme ist bei Stoffwechselgesunden ein biphasischer Verlauf der Insulinsekretion feststellbar:
    Der erste „Insulinpeak“ hat seine Spitze nach drei bis fünf Minuten und dauert nur ca. zehn Minuten. Danach schließt eine zweite Phase an, die so lange anhält, wie eine Hyperglykämie besteht. Die erste Phase besteht aus den gespeicherten Insulinmolekülen, die zweite Phase vor allem aus neu gebildetem Insulin.
    Außerdem erhöhen bestimmte Aminosäuren und freie Fettsäuren die Insulinausschüttung.
    Gehemmt wird die Insulinausschüttung durch Adrenalin und Noradrenalin. Ein z.B. stark erniedrigter Blutzuckerspiegel wird im ZNS registriert, worauf reflektorisch der Sympathikus aktiviert wird.

 Abbau

    Die Halbwertszeit des Insulin beträgt ca. 5 – 8 min und wird hauptsächlich in Leber und Niere abgebaut.
    Das Insulin wird über Insulinrezeptoren in die Zellen aufgenommen, dort abgebaut und somit verbraucht.
    In der Leber und in der Niere wird Insulin durch Insulinase inaktiviert. Die Insulinase oder genauer Glutathion-Insulin-Transhydrogenase spaltet die Disulfidbrücken zwischen der A- und der B-Kette auf, wodurch das Insulin in zwei Teile zerfällt und wirkungslos wird.
    Die Abbauprodukte werden durch die Niere ausgeschieden, ebenso ca. 1,5 % des noch intakten Insulins.

Insulinwirkung

Insulin wirkt blutzuckersenkend, anabol und lipogen und fördert die Speicherung von Glukose v.a. in der Leber.
Die Wirkung von Insulin wird über die Bindung an Insulinrezeptoren auf der Zelloberfläche des Leber-, Muskel- und Fettgewebes vermittelt, die in der Zelle eine intrazelluläre Signalkaskade, das so genannte Insulinsignal auslösen.

Zu den wichtigsten biologischen Wirkungen des Insulins gehören:

    Beschleunigung der Glukoseaufnahme in Muskel- und Fettzellen (Insulin erhöht die Permeabilität der Zellmembran für Glukose über eine vermehrte Aktivierung der Glukose-Carrier-Proteine)
    Beschleunigung der Aufnahme von Aminosäuren und Kalium in Muskel- und Fettzellen
    Induktion der Glykogensynthese und -speicherung in Leber und Muskel
    Steigerung der Triglyzeridsynthese in Leber und Fettgewebe
    Speicherung von Aminosäuren im Muskel (Anabolismus)
    Hemmung der hepatischen Glukoneogenese
    Hemmung der Glykogenolyse
    Regulation des Zellwachstums

Etwa 2/3 der im Darm absorbierten Glukose werden in Leber, Muskel- und Fettzellen zwischengespeichert, um in der interdigestiven Phase wieder mobilisiert zu werden.
Damit entsteht v.a. dem stark glukoseabhängigen ZNS ein von der Nahrungsaufnahme relativ wenig abhängiges Glukoseangebot zur Verfügung.

Gegenspieler

Fällt der Blutzuckerspiegel im Körper unter einen Wert von 80 mg/dl ab, wird die Insulinproduktion bereits stark reduziert.
Sinkt der Blutzucker weiter ab, treten verschiedene Gegenspieler des Insulins auf:

    ·         Glukagon
    ·         Adrenalin
    ·         Kortisol
    ·         Somatostatin

Die Spiegel dieser gegenregulierenden Hormone steigen bereits deutlich an, wenn der Blutzucker unter 60 mg/dl absinkt.
Somatostatin hat einen hemmenden Einfluss auf die Sekretion von Insulin und Glukagon, da er als allgemeiner Hemmer im Körper fungiert.

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  • insulin halbswertzeit

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