Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

    
Ernährung und Verdauungssystem

Magen
© H. Hinghofer-Szalkay

Antrum: antrum = Höhle, Grotte
Cardia: καρδία = muskuläres Hohlorgan
Fundus: fundus = Boden, Grund (fundare = (be)gründen)
Gastrin: γαστήρ = Bauch
Pepsin: πέψις = "Kochung", Verdauung
Pylorus: πυλωρός = Pförtner



Der Magen erfüllt zahlreiche - lokal, hormonell und neural koordinierte - Funktionen: Zwischenspeicherung (Fundus), Transport, Durchmischung, Homogenisierung; Ansäuerung, Eiweißabbau (Pepsin); Resorption (Flüssigkeit, kleine Moleküle); Schutz der Schleimhaut (Muzine, Bicarbonat); Mechano- und Chemosensibilität; Hormonproduktion (Gastrin); Bildung von intrincic factor (Vitamin B12).

Im oberen Corpusteil befindet sich eine Schrittmacherzone für die Peristaltik des Magens (etwa 3 Wellen pro Minute), die hier der Durchmischung, im distalen Magen der Zerkleinerung dient ("Antrummühle"). Erst bei ausreichender Zerkleinerung des Mageninhalts zeigt der Pylorus Relaxationsphasen, die duodenalwärts gerichteten Transport (Tonus plus Peristaltik) zulassen.

Gastrin fördert die Säureproduktion, Kontraktion der Cardia, Peristaltik am Magenausgang, Gallen- und Pankreassekretion, und regt ECL-Zellen (Histamin) sowie D-Zellen (Somatostatin) an; seine Freisetzung wird durch Dehnung der Magenwand, "Saftlocker" und GRP-bildende parasympathische Fasern stimuliert.

Die Anregung der Magentätigkeit wird in eine zephale (Gehirn), gastrische (≥50%) und intestinale Phase eingeteilt.

Belegzellen (Produktion von Salzsäure) werden durch Acetylcholin, Gastrin und Histamin angeregt; Somatostatin, Prostaglandine, Sekretin und VIP hemmen die Säureproduktion.



Funktionen Phasen der Digestion Magenmotorik Produktion des Magensekrets Regulation der Magentätigkeit  Wirkungsprofil: Gastrin  Somatostatin Enterogastrone

Praktische Aspekte       Core messages
  
Der Magen speichert, zerkleinert, verdaut
 
Der Magen ist ein Organ, das motorisch, sekretorisch, enzymatisch, protektiv, resorptiv, sensorisch und endokrin tätig ist. Er steht unter der Kontrolle des autonomen und des enteralen Nervensystems sowie hormoneller Steuerungen. Strategisch gesehen nimmt er eine Position zwischen dem Trink- und Nahrungsaufnahmeverhalten einerseits, und dem Dünndarm als Hauptort der Verdauung und Resorption andererseits ein. Jede Minute stößt die Magenschleimhaut etwa eine halbe Million Zellen ab, die laufend ersetzt werden.
 

>Struktur des Magens
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016

Die Einstülpungen der Magenschleimhaut heißen Magendrüsen, sie enthalten verschiedene epitheliale Zellen (rechts): Stammzellen für die Regeneration, Becherzellen für Schleimproduktion, Belegzellen bilden Salzsäure und Intrinsic factor, Hauptzellen Pepsinogen, endokrine Zellen u.a. Gastrin


Die einzige unersetzliche Komponente des Magensaftes ist der Intrinsic factor für die Vit. B12-Aufnahme. Die Proteinverdauung kann mittels pankreatischer Enzyme vollständig erfolgen; Magensäure tötet die meisten Mikroben ab, bei stark eingeschränkter oder fehlender Säureproduktion steigt die Inzidenz für Infektionen im Darmbereich.

Von den entsprechenden Kompartimenten (Ösophagus, Duodenum) grenzt sich der Magen durch Sphinkteren ab, die eine Passage nur unter bestimmten Bedingungen erlauben.
 
     Geschlucktes wird durch die Cardia bzw. den unteren Ösophagussphincter (LES: Lower esophageal sphincter) kontrolliert in den Magen befördert und hier so lange gespeichert und modifiziert, bis es (entsprechend "bearbeitet") für den Weitertransport in den Zwölffingerdarm präpariert ist - eine "Einbahnstraße" für den Chymus. Nur unter Ausnahmebedingungen kommt es zu Passage in die Gegenrichtung (Regurgitation, Reflux, Erbrechen).
 
     Der Pylorus   funktioniert in Kooperation mit der äußeren Muskelschicht (muscularis externa), um nur kleine Partikel in den Zwölffingerdarm (Duodenum) gelangen zu lassen, abhängig von dessen Verarbeitungskapazität (s. weiter unten).


<Abbildung: Drüsenschlauch in säureproduzierender Magenschleimhaut (Fundus / Corpus)
Nach einer Vorlage bei Barrett KE: Gastrointestinal Physiology, McGraw-Hill 2006

Hauptzellen bilden Pepsinogen, angeregte Belegzellen (Parietalzellen) produzieren Salzsäure. Das Lager der Stammzellen liefert junge Zellen nach: Nach Teilung einer Stammzelle verbleibt eine Tochterzelle als Stammzelle am Ort fixiert, die andere teilt sich mehrfach weiter und bildet spezialisierte Zellen.
 
Hauptzellen können sich selbständig teilen, aber auch aus Stammzellen entstehen. Belegzellen bilden Salzsäure und Intrinsic factor.
  
Oberflächliche Mukosazellen sezernieren Bicarbonat, Nebenzellen Muzin. Enterochromaffinähnliche (ECL, enterochromaffin-like) sind histaminbildende neuroendokrine Zellen

Der Magen muss zahlreiche Aufgaben gleichzeitig erfüllen: 

    Zwischenspeicherung von Bissen / Schlucken, die den Ösophagus passiert haben:
Die verschluckten Portionen sind meist größer als die Menge, die der Dünndarm unmittelbar verarbeiten könnte. Der Magen erfüllt die Aufgabe der "Volumendämpfung" auf zwei Wegen:

Rezeptive Relaxation wird über einen
vago-vagalen Reflex vermittelt: Afferente Meldungen im Rahmen des Schluckvorganges laufen zum Hirnstamm, relaxierende Efferenzen zum unteren Ösophagussphinkter und zeitgleich des Fundus und der oberen Corpusregion, was die Passage des Bissens und seine Speicherung im Fundus unterstützt. Der Mechanismus ist weder cholinerg noch adrenerg; bei Unterbrechung der vagalen Innervation des Magens nimmt der intragastrische Druck bei Nahrungsaufnahme rascher zu als normalerweise.

Dazu kommt gastrische Akkommodation: Die Füllung des Magens an sich führt zu Erschlaffung der Wand des proximalen Magens - vermutlich vor allem über lokale Reflexe im enteralen Nervensystem, aber auch moduliert über den Vagusnerv (Vagotomie schwächt die gastrische Akkommodation ab). Dadurch kann das Volumen zunehmen (bis etwa 700 ml), ohne dass es zu einer merklichen intragastrischen Druckerhöhung kommt.

Der Zeitverlauf der Entleerung eines Bolus, der in den Magen gelangt ist, erfolgt in nichtlinearer Weise (mit abnehmendem Tempo). Wasser oder isotone Kochsalzlösung passiert den Magen am raschesten und gelangt schnell (in etwa 4 Minuten zur Hälfte) in das Duodenum. Saure oder kalorienreiche Flüssigkeiten verbleiben länger im Magen (etwa 10 Minuten für die Hälfte), und fette bzw. ölige Speisen am langsamsten (ca. 20 Minuten für die Hälfte).

    Sekretion von Magensaft (Corpusteil) - Belegzellen produzieren das Glykoprotein Intrinsic factor (Vitamin B12-Resorption) und Salzsäure (hydrolysiert Makromoleküle, aktiviert Proenzyme und wirkt sterilisierend); Hauptzellen sezernieren Pepsinogen, das durch HCl-Wirkung zum eiweißabbauenden Enzym Pepsin wird, sowie Lipase; Nebenzellen produzieren Schleim (Muzin), der die Mukosa vor HCl und Pepsin schützt.

    Transport, Durchmischung, Homogenisierung des Inhalts.
 

>Abbildung: Muzinmolekül
Nach einer Vorlage bei sigmaaldrich.com

Muzine sind glykosylierte Proteine, die viel Wasser halten können (gelartige Eigenschaften) und resistent gegenüber Proteolyse sind. Sie werden als große Aggregate sezerniert, liegen aber auch an Zellmembranen gebunden vor (Bild), wo sie als rezeptorartige Liganden für Kohlenhydrate wirken können


     Schutz der Schleimhaut durch Muzine (>Abbildung), s. unten
 
     Abbau von Nahrungsbestandteilen, hauptsächlich von Eiweiß (Pepsin )
 
     Bereitstellung des Glykoproteins Intrincic factor zur Vitamin-B12-Aufnahme (rezeptorvermittelte Resorption des Faktor-Vitamin-Komplexes im Ileum)
 
     Resorption von Flüssigkeit und kleinen Molekülen (kurzkettige Fettsäuren, Alkohol, Medikamente)
 
     Registrierung des Dehnungszustandes der Magenwand (Mechanosensibilität)
 
     Registrierung des Chemismus des Inhalts (Peptide: G-Zellen, pH-Wert: D-Zellen)
 
     Hormonproduktion (vor allem Gastrin-17 im Antrum )
 
Die meisten dieser Funktionen bzw. Vorgänge werden nerval, hormonell und lokal koordiniert bzw. gesteuert.
 
Dass der Magen ein heterogenes Organ mit spezialisierten Abschniten darstellt, kommt in der Tatsache zum Ausdruck, dass der Fundus eine ausgeprägte Speicherfunktion hat, daran anschließende proximale Teile Säure, Bikarbonat, Muzin, Pepsinogen und Intrinsic factor produziert und Flüssigkeit weitertransportiert, und distale Teile schließlich auf Zerkleinerung spezialisiert sind ("Antrummühle", Transport fester Nahrungsbestandteile) und Gastrin sowie Somatostatin bilden.

Der Corpusteil des Magens enthält u.a. Hauptzellen, diese erzeugen Pepsinogen; Belegzellen, die Salzsäure sowie Intrinsic factor produzieren; Becherzellen zur Bildung von Muzin; und 5 oder 6 verschiedene endokrine Zellen, darunter enterochromaffine Zellen, die Histamin absondern. Das Antrum weist keine Belegzellen auf (und bildet daher weder Säure noch Intrinsic factor), aber Haupt- und endokrine Zellen, darunter G-Zellen (Gastrin) und D-Zellen (Somatostatin).
 
Phasen der Digestion
 
In der Ruhephase zwischen Mahlzeiten (interdigestive Phase) ist die Säureproduktion des Magens minimal, folgt aber einem zirkadianen Rhythmus: Morgens (vor dem Aufwachen) ist die Sekretionsrate am geringsten, abends ist die interdigestive HCl-Produktion am höchsten. Ihr Betrag ist direkt proportional der Zahl der Belegzellen, bei Männern ist sie im Schnitt höher als bei Frauen. Es bestehen starke individuelle Unterschiede. Der pH-Wert im interdigestiven Magen kann zwischen 3 und 7 betragen (ein Unterschied des [H+] von 10.000 zu 1).

Die
digestive Aktivität beginnt schon vor (Anblick, Geruch) einer Nahrungsaufnahme und setzt sich während und nach ihr fort. Nach der Reihenfolge unterscheidet man drei Phasen der digestiven Tätigkeit: Eine zephale, eine gastrische (<Abbildung) und eine intestinale.
 

<Abbildung: Phasen der Magenaktivität
Nach einer in jpp.krakow.pl verwendeten Quelle (S.J. Konturek)

Die "zephale Phase" wird vom Gehirn aus getriggert; olfaktorische, gustatotrische, reflektorische und metabolische Afferenzen werden dabei berücksichtigt.
    
Die "gastrische Phase" wird durch den Kontakt von Chymus mit der Magenwand ausgelöst und von dessen Zusammensetzung beeinflusst.
   
Gastrin regt die Säureproduktion von Belegzellen an

  ACh, Acetylcholin     GRP, Gastrin releasing peptide


   1)  Geruch nach, oder Vorstellung von, appetitanregenden Stoffen sowie Anwesenheit von Nahrung im Mund (Geschmack) führt zu Anregung der Magensaftproduktion bei herabgesetzter Motilität (zephale Phase).

Diese - vor bzw. ohne Kontakt mit der Magenwand wirksamen - Faktoren aktivieren den dorsalen Vaguskern. Präganglionäre Axone ziehen von hier zu Ganglien in der Magenwand und schalten auf postganglionäre Fasern, die wiederum Belegzellen (cholinerg) sowie G-Zellen (über GRP) anregen (
<Abbildung).



Die Wirkung der vagalen Aktivität während der gastrischen Phase beruht auf folgenden Komponenten:
 
      Postganglionär freigesetztes Acetylcholin im Corpusteil des Magens regt Belegzellen direkt an (M3-Rezeptoren)
 
      Acetylcholin regt weiters ECL-Zellen in der Corpuswand zur Histaminfreisetzung an (M3-Rezeptoren)
 
      Im Antrum setzen peptiderge parasympathisch- postganglionäre Fasern und auch Neurone des Darmnervensystems GRP frei, das G-Zellen zur Gastrinfreisetzung stimuliert (GRP-Rezeptor BB2)
 
      Vagale Efferenzen hemmen D-Zellen in Corpus und Antrum (M3-Rezeptoren), dadurch sinkt der hemmende Einfluss von Somatostatin auf Belegzellen.

Die zephale Phase trägt mit 20-30% zur Verdauungsanregung bei.
 

>Abbildung: Gastrische Phase der Magensäuresekretion
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

ECL = enterochromaffin-like, GRP = Gastrin releasing peptide


   2)  Kontakt des Verschluckten mit der Magenwand (gastrische Phase). Zunächst steigt der pH-Wert im Magen durch die verschluckte Nahrung, insbesondere wirken Proteine puffernd (der Speisebrei kann einen pH-Wert von über 6 haben). Dadurch wird die Sekretion von Gastrin nicht inhibiert (wie bei pH<3, s. weiter unten).

Die zwei primären Reize zur Säurepropduktion in der gastrischen Phasen sind
 
      Dehnung der Magenwand aktiviert einen vago-vagalen Reflex (über den dorsalen Vaguskern) sowie lokale Reflexe im Darmnervensystem. Dies ist der stärkste Stimulus für die Säureproduktion
 
      Anwesenheit anregender Stoffe, wie Aminosäuren (Aromatische Aminosäuren regen G-Zellen besonders stark an - auch nach Vagotomie), Peptide (Bouillon!), Amine, Kaffee (auch koffeinfrei).

Das bewirkt Magensaftsekretion, Peristaltik und Magenentleerung. (Über Gastrinfreisetzung s. unten.)

Während der gastrischen Phase kann ein niedriger pH-Wert im Magen D-Zellen der Antrumschleimhaut anregen, das hemmt die Gastrinfreisetzung der G-Zellen, und die HCl-Produktion sinkt ab (negative Rückkopplung).
 
Der Magen wird vor allem in der gastrischen Phase angeregt; die HCl-Sekretion während dieser Phase trägt zu 50-60% zur Antwort auf eine Nahrungsaufnahme bei.
  

<Abbildung: Intestinale Phase der Magensäuresekretion
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Entero-Oxyntin ist ein endokrines Signal - wahrscheinlich ein Peptid(mix) - aus endokrinen Zellen des Dünndarms, seine Bedeutung für die Anregung der Belegzellen des Menschen ist noch hypothetisch


   3)  Rückwirkung der Verdauungsvorgänge im Dünndarm (intestinale Phase). Aminosäuren und teilweise abgebaute Peptide im Zwölffingerdarm stimulieren die Säureproduktion im Magen:
 
      Duodenale G-Zellen setzen Gastrin frei (vorwiegend Gastrin-34)
 
      Peptone regen endokrine Zellen an (Entero-Oxyntin, <Abbildung)
 
      Im proximalen Dünndarm resorbierte Aminosäuren regen Belegzellen ebenfalls an (Mechanismus unbekannt)

Die Säuresekretion im Magen wird durch die intestinale Phase zu 5-10% der Gesamtwirkung weiter angeregt.

Auch hemmende Einflüsse auf den Magen sind aus dem Dünndarm wirksam, vor allem bei Anwesenheit von Fett (das die Verweildauer im Magen wesentlich verländert). Die beteiligten Faktoren werden insgesamt als Enterogastrone bezeichnet.

 
Magenmotorik

 
Füllung des Magens löst in einer Schrittmacherzone im oberen Corpus - unmittelbar nach dem Fundusteil (Abbildungen) - zarte peristaltische Wellen aus (~3 pro Minute), die von interstitiellen (Cajal-) Zellen getriggert werden. Die Kontraktionswellen wandern vom Korpus zum Antrum und dienen der Durchmischung des Speisebreis mit dem Magensaft in der Randzone an der Magenwand (“Mischperistaltik”). Die Kontraktionswellen setzen sich bis zum Pylorus fort und kommen dort zum Stillstand.
 

Ursprung der Magenperistaltik ist die rhythmische Entladung von Cajal-Schrittmacherzellen im oberen Corpusbereich
   
Diese organspezifischen Entladungswellen haben verschiedene Bezeichnungen (slow waves, basic electrical rhythm, control activity, pacesetter potentials). Ihre Aktionspotenziale zeigen eine Entladungs- und eine Plateauphase; erstere muss rasch erfolgen und zweitere ausreichend intensiv sein, um eine Kontraktion auszulösen. Die Depolarisationen können - müssen aber nicht - Kontraktionnswellen auslösen.

Die Entladungswellen
sind nicht auf nervöse oder endokrine Signale angewiesen, können aber durch sie beeinflusst werden:
 
      Parasympathische Aktivität erhöht Stärke und Frequenz, Vagotomie reduziert Stärke und Organisationsgrad,
 
      Sympathische Aktivität dämpft sie,
 
      Gastrin und Cholezystokinin erhöhen die Kontraktionsfrequenz,
 
      Sekretin und GIP senken sie (physiologische Bedeutung unklar).



   
>Abbildung: Elektrische Aktivität des Magens
Nach
Koch KL. Electrogastrography. In: Schuster M, Crowel M, Koch, KL, editors. Atlas of Gastrointestinal Motility. BC Decker; 2002. pp 185-201

Registrierungen von der Haut (Elektrogastrogramm, EGG, rechts oben) und von der Oberfläche des Magens
 

   A: Fundus - keine Aktivität    B: Schrittmacherzone (grün)    C: Corpus    D: Antrum

Die Schrittmacherzone generiert im gedehnten Zustand Entladungen (3/min), die zirkumferentiell und funduswärts die Muskulatur der Magenwand entlanglaufen (Pfeile) und Kontraktionswellen generieren



An den beiden Enden des Magens lassen Schließmuskel die Passage (eines Bolus aus der Speiseröhre, oder von Chymus in das Duodenum) nur in kontrollierter Weise zu: Sammelt sich im untersten Speiseröhrenabschnitt Geschlucktes an und dehnt die Cardia, öffnet sich diese reflektorisch. (Bei der Einnahme von Medikamenten soll Flüssigkeit nachgetrunken werden, um die Öffnung der Cardia zu gewährleisten.)
 
   Als gastroösophagealen Reflux bezeichnet man die Bewegung von Mageninhalt in die Speiseröhre. Diese verfügt über eine (begrenzte) Pufferkapazität, sodass kleinere Mengen sauren Mageninhalts keine Schädigung der Schleimhaut der Speiseröhre bewirken (säurebindende Wirkung verschluckten Speichels). Geringgradiger Reflux, insbesondere nach den Mahlzeiten, ist physiologisch.

  Der Pylorus ("Pförtner") stellt sicher, dass der im Magen bearbeitete (kleinkörnige, saure, angedaute) Speisebrei nur in kleinen Portionen zum Duodenum weiterbewegt wird, je nach dessen jeweiliger Fähigkeit, weitere saure Valenzen zu puffern und Nahrungsstoffe zu verdauen.

Magentätigkeit und funktionelle Kapazität des Dünndarms werden so bei der Regulierung der Magenentleerung berücksichtigt. Die Transportperistaltik des Pylorus ist auf die Aufnahmekapazität des Duodenums abgestimmt. Der Chymus am Magenausgang hat einen pH-Wert zwischen 4,0 und 7,2.

  Akkommodationsreflex: In der Speiseröhre
Richtung Magen wandernder Chymus entspannt die oberen Magenpartien (Fundus, oberer Corpusteil) schon bevor er den Magen erreicht hat. Die anschließende Dehnung der Magenwand verstärkt diese gastrische Akkommodation, die durch einen vago-vagalen Reflex erfolgt: Sowohl Afferenzen zum Gehirn als auch Efferenzen zum Magen laufen über parasympathische Fasern des N. vagus.

Der Effekt ist eine Weitung des Magens ohne wesentliche Steigerung des Mageninnendrucks.
Der Magen kann ~1,5 Liter Inhalt mit einem Druckanstieg von nur ~10 mmHg aufnehmen. Durch diese reflektorische Relaxation kann der Chymus länger im Magen verbleiben und ausführlich durchmischt, zerkleinert und angedaut werden.
 


Abhängig von Menge und Beschaffenheit der Nahrung bleibt der Magen bis zu mehrere Stunden nach der Mahlzeit teilweise gefüllt. Die Verweildauer im Magen beträgt z.B. bei Flüssigkeiten einige Minuten, bei einer Reismahlzeit 1-2 Stunden, bei gekochtem Fleisch 3-4 Stunden, und bei sehr fettreicher Nahrung (z.B. Ölsardinen) 6-9 Stunden. Der Mageninhalt wird dabei angesäuert und angedaut (der Magen bildet ~10 ml Salzsäure pro Tag). Da die Speisen meist selbst puffernd wirken, kommt es nur zu langsamer Ansäuerung des Mageninhalts. Das Ptyalin des verschluckten Speichels (α-Amylase; pH-Optimum nahe dem Neutralpunkt) bleibt im Magen so lange aktiv, bis es vom sauren Magensaft inaktiviert wird.
 
 
<Abbildung: Neuromuskuläre Magenaktivität nach Einnahme einer Mahlzeit
Nach Koch KL. Physiological basis of electrogastrography. In: Koch KL, Stern RM (eds). Handbook of Electrogastrography. New York, NY: Oxford Press; 2004. pp 37-67

Nach Einnahme einer Mahlzeit erschlafft der Fundusteil des Magens und ermöglicht die Akkommodation zusätzlichen Volumens ohne wesentliche Drucksteigerung (rezeptive Relaxation).
 
Anschließende Kontraktionen entleeren den Fundus nach Maßgabe des Fortschreitens der Verdauungsprozesse. Es folgt Mischperistaltik im Bereich des Corpus, die stundenlang anhalten kann (je nach Menge und Zusammensetzung des Speisebreis).
 
Vom Corpus zum Antrum fortschreitende, wiederholte kräftige Kontraktionswellen "zermahlen" den Inhalt des Magenausgangs zu ~1 mm großen Stücken. Wellen der Propulsion (Vorwärtsbewegung des Antruminhalts) wechseln mit solchen der Retropulsion ab, die sich ergibt, wenn der Kontraktionsring über den Chymus hinweggeglittgen ist und von aboralwärts einen Schub in Richtung Corpusteil erzeugt.
 
Schließlich lässt der Pylorus den Chymus portionsweise (2-4 ml) in das Duodenum eintreten. Der Weitertransport wird funktionell durch pylorischen und duodenalen Widerstand (Einschnürungen) reguliert


Im Bereich des Antrum (distaler Magen) dient die Motorik der Zerkleinerung der Nahrung. Hier können Drucke bis über 100 mmHg auftreten, vor dem geschlossenen Pylorus wird der Speisebrei "massiert", bis die Bruchstücke weniger als 2 mm Durchmesser (durchschnittlich ~0,25 mm) haben und den Pylorus passieren können ("Antrummühle", <Abbildung). Die Magenmotorik erzeugt - noch vor der Emulgierung zu Mizellen durch Gallensäuren - Fetttröpfchen mit einem Durchmesser von lediglich ~1 µm.

Die Geschwindigkeit der peristaltischen Kontraktionswelle (und der sie auslösenden elektrischen Aktivität, die von der Oberfläche des Magens abgeleitet werden kann) nimmt umso mehr zu, je näher sie dem Pylorus kommt. Dadurch "überholt" die Peristaltik den Inhalt, sodass dieser Richtung Corpus zurückgedrängt wird (Retropulsion) und hier verbleibt, bis die nächste Kontraktionswelle ankommt.
 
Im Rahmen des Brechreflexes kommt es - gesteuert durch das Brechzentrum im Hirnstamm - zu reverser Peristaltik. Ausgehend vom distalen Dünndarm, befördert eine oralwärts laufende Transportwelle Chymus in Duodenum und Magen. Reflektorisch kommt es zu tiefer Einatmung, die Glottis schließt sich, die Exspirationsmuskulatur spannt sich an und der Überdruck (bis über 100 mmHg) befördert den Mageninhalt durch die Cardia in die Speiseröhre. Bei diesem Vorgang - der sich mehrmals wiederholen kann - gleitet ein Teil des Magens vorübergehend durch die Öffnung im Zwerchfell, in der sonst die Cardia zu liegen kommt. Schließlich rückt der Kehlkopf nach vorne, und der zu erbrechende Inhalt wird durch den oberen Oesophagussphincter nach außen gepresst. Nicht Erbrochenes gelangt in den Magen zurück. Auch dieser Vorgang kann sich mehrfach wiederholen. Massive Speichelsekretion dient der Pufferung des sauren Mageninhalts.

  Magenentleerung: Erst bei diesem Verkleinerungsgrad der Partikel des Mageninhalts kann dieser in das Duodenum passieren. Solche Relaxationsphasen, in denen der Pylorus eine duodenalwärts gerichtete Peristaltik zulässt, erfolgen allerdings nur, wenn das Duodenum das - neurohumoral geregelt - "freigibt".
 

>Abbildung: Zeitverlauf der Magenentleerung
Nach Steinert RE, Feinle-Bisset C, Asarian L, Horowitz M, Beglinger C, Geary N. Ghrelin, CCK, GLP-1, and PYY(3–36): Secretory Controls and Physiological Roles in Eating and Glycemia in Health, Obesity, and After RYGB. Physiol Rev 2017; 97: 411-63

Der Magen (vor allem der Fundusteil) dient u.a. als Zwischenspeicher. Flüssige Nahrung wird ohne Verzögerung an das Duodenum weitergegeben (exponentielle Entleerung, rot - geringe Mengen Flüssigkeit werden innerhalb weniger Minuten resorbiert). Feste Nahrung (grün) gelangt erst nach einer Latenzphase weiter.
 
Der Zeitverlauf hängt u.a. vom aufgenommenen Volumen, der Osmolarität, Energiedichte und Verdaubarkeit, auch vom Geschlecht ab (bei Frauen erfolgt die Magenentleerung langsamer als bei Männern). Fett- und ölreiche Nahrung verbleibt länger im Magen als saure, und diese länger als salzige.
 
Die Entleerungszeiten sind kaum altersabhängig, aber individuell unterschiedlich, bei ein und demselben Menschen (ceteris paribus) ziemlich gleich, also individualtypisch

Ist der Duodenalinhalt noch sauer (was die Schleimhaut herausfordert und pankreatische Enzyme hemmt), wird der Pylorus nicht relaxiert. Ist das Duodenum hingegen aufnahmebereit, greifen endokrine Komponenten wie Motilin, das den myoelektrischen Komplex beschleunigt und die Magenentleerung anregt.
 

Das vom Dünndarm freigesetzte Peptidhormon Motilin regt die Magenentleerung an
   
Treibende Kraft für die Magenentleerung ist der Tonus im proximalen Magen. Flüssigkeiten verlassen den Magen umso rascher, je höher die im Magen gespeicherte Menge ist (die Entleerung nimmt mit dem Volumen exponentiell zu und verhindert so eine Überdehnung des Magens). Die Entleerung "fester" Nahrungsbestandteile zeigt eine etwa lineare Kinetik (nimmt proportional mit dem Volumen zu).


Die Verdauungsvorgänge im Magen wurden erst zu Beginn des 19. Jahrhunderts allmählich verstanden. Der amerikanische Arzt William Beaumont machte an einem Patienten (Alexis St. Martin), der nach einem Gewehrdurchschuss eine permanente Magenfistel hatte, Beobachtungen und Experimente und stellte fest, dass der Magen auf Emotionen des Patienten reagiert (1835). In Magensaftproben konnte er den wechselnden Salzsäuregehalt nachweisen. (Die Amerikanische Physiologische Gesellschaft besitzt heute das "Beaumont House" in Bethesda, Maryland)
 
Sekretion des Magensaftes
 
Eine erwachsene Person bildet täglich etwa 2 Liter Magensaft (~35 ml / kg KG / Tag). Menge und Zusammensetzung hängen von Art und Menge der Nahrung sowie dem jeweiligen Zustand des Verdauungssystems ab: Dehnungs- und Chemorezeptoren messen diverse Zustandsgrößen im Darm, neurohumorales Feedback bewirkt eine Feinabstimmung der gastrointestinalen Funktionen.
 

<Abbildung: Ionenmuster des Magensekrets als Funktion der Produktion
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016

Im Ruhezustand ist die Menge des gebildeten Sekrets - dann im Wesentlichen eine isotone Kochsalzlösung - minimal, bei zunehmender Produktionsrate rückt an die Stelle des NaCl zusehends Salzsäure (HCl). Der Kaliumgehalt nimmt leicht zu


Produktionsrate und Zusammensetzung des Magensekrets: Die Konzentration der im Magensaft gelösten Elektrolyte hängt von der Sekretionsleistung der verschiedenen Zellen in der Schleimhaut ab.

In Verdauungsruhe (interdigestiv) produzieren Nicht-Belegzellen u.a. Kochsalz und Natriumbicarbonat (~30 mM!). Wird die Verdauungsfunktion des Magens "eingeschaltet", bilden die aktivierten Belegzellen zusehends beträchtliche Mengen an Salzsäure:
 
     Natrium: Bei niedriger Saftmenge liegt die Natriumkonzentration bei ~100 mM, mit steigender Produktionsrate nimmt sie auf fast Null ab.
 
     Chlorid: Das Anion im Magensekret. Die Chloridkonzentration beträgt bei geringer Saftproduktion ~100 mM und steigt mit letzterer bis auf ~160 mM an.
 
     Protonen: Die Konzentration an Wasserstoffionen steigt mit der Produktionsrate von ~10 auf bis ~160 mM (Magensäure: [H+] 150-160 mM).
 
     Kalium: Bei niedriger Produktion etwa entsprechend den Werten im Blut (~5 mM), mit der Sekretionsrate steigend (bis auf 20 mM).

Zusammengefasst: Bei "ruhenden" Belegzellen enthält das Magensekret im Wesentlichen Kochsalz. Der Anteil der Salzsäure (HCl) nimmt mit der Sekretionsleistung der Belegzellen zu,
H+ ersetzt zusehends Na+. Mit der Sekretionsleistung steigen auch die Kalium- und Chloridwerte auf höhere Werte als im Blutplasma an. Dabei belibt das Sekret isoton.

 Der Magensaft enthält mehrere für Schutz der Schleimhaut einerseits, Aufschließung der Nahrungsstoffe andererseits entscheidende Komponenten:


>Abbildung: Diffusions- und Schutzbarriere auf der Magenschleimhaut
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Eine Muzin- und eine Flüssigkeitsschicht schützen die Magenschleimhaut. Unter einem gewissen Druck sezernierte Salzsäure gelangt aus den Belegzellen in der Tiefe der Drüse zur Mittelzone der (blau dargestellten) Muzinsäule und entweicht durch einen "Tunnel" in das Lumen (Pfeil nach oben), ohne den bikarbonatreichen Schutzfilm zu kompromittieren und die Schleimhaut anzugreifen ("viscous fingering").
 
Dringen Wasserstoffionen in die unstirred layer direkt auf der Schleimhaut (blau), werden sie durch Bicarbonat gepuffert. Potentiell schädliches Pepsin wird von der Muzinschicht am retrograden Durchtritt blockiert.
 
Eine wichtige Schutzfunktion hat auch die Durchblutung der Magenschleimhaut - diese hilft bei der Pufferung (Nachschub von Bicarbonat) und verhindert eine Selbstverdauung (Autodigestion) der Schleimhaut


     Die als Muzin aus Nebenzellen (mucus secreting cells) bezeichnete Mischung aus Glykoprotein wird aus apikalen Granula freigesetzt. Muzin überzieht die Magenschleimhaut mit einem vor Selbstandauung und Geschwürbildung schützenden Film (>Abbildung), insbesondere auch in der interdigestiven Phase (niedriger Oberflächen-pH).

Acetylcholin steigert die Muzinproduktion der Nebenzellen, wie auch physikalische (rauhe Speisen) und chemische (Alkohol) Reize; Cortisol hingegen hemmt sie und regt die Salzsäurebildung an (ulzerogene Wirkung).

Bei maximaler Anregung der Säureproduktion kann der intraluminale pH-Wert unter 1 sinken (d.h. die H+-Konzentration auf über 100 mM ansteigen). Dass dabei die Epithelzellen der Magenschleimhaut nicht zerstört werden, liegt an der durch Muzin aufgebauten Diffusionsbarriere, die dem Epithel aufliegt (>Abbildung).

Die Schutzschichte besteht hauptsächlich aus Muzin, Phospholipiden, Elektrolyten und Wasser. Sie schützt nicht nur vor Säure, sondern auch anderen Substanzen (z.B. Alkohol) sowie mechanischer Belastung durch den vorbeigleitenden Speisebrei bzw. dessen Bestandteile.
 
     Bicarbonat aus Oberflächenepithelzellen (superficial epithelial cells) des Corpus- und Antrumteils stellt in der dünnen "unstirred layer"-Schichte zwischen Zelloberfläche und Muzinschicht einen pH-Wert von 6-7 ein, was das Epithel schützt, indem es puffert und Pepsin inaktiviert (dieses dringt kaum durch die Muzinschicht).
 
     Pepsin s. unten

     Intrinsic factor s. unten
 
     Salzsäure: ~1 Milliarde Belegzellen (parietal (oxyntic) cells) produzieren ~10 ml HCl/Tag. Die proximalen 80% des Magens - Fundus, Corpus - produzieren Salzsäure (oxyntic gland area).
 

Die Bewegung von Chloridionen durch die apikale Membran erzeuget ein lumen-negatives Potenzial (-60 bis -70 mV).

Salzsäure
 
     aktiviert Pepsinogen,

     regt die Ausschüttung von Gastrin an,
 
     wirkt keimtötend.

Im Ruhezustand ist die Sekretionsleitung der Belegzellen niedrig, röhrenförmige "Tubulovesikel" (apikale Membran!) enthalten ruhende H/K-ATPase (Protonen-Kalium-Pumpe, die zur Familie der P-Typ ATPasen gehört). Sie besteht aus einer α- und einer β-Untereinheit, mit unterschiedlicher Aufgabe: Die katalytische Funktion hat die α-Untereinheit, die β-Untereinheit weiß, wo es hingeht: Sie "steuert" das Enzym in die apikale Membran. Zur vollen Aktivität bedarf die Protonen-Kalium-Pumpe beider Einheiten. Ihre Blockade kann die Säureproduktion vollständig stoppen.
 

<Abbildung: Ruhende und angeregte Belegzelle
Nach Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

Angeregte Belegzellen verändern ihre Gestalt: Tubulovesikel - im Ruhezustand eine intrazelluläre "Reserve-Oberfläche" - fusionieren mit dem offenen Kanalsystem und werden zu "Canaliculi". So ist die für die Säuresekretion verfügbare Membranfläche maximiert


     Werden Belegzellen angeregt (Acetylcholin, Histamin, Gastrin), verschmelzen ihre Tubulovesikel (mit den darin befindlichen Protonenpumpen) innerhalb von Sekunden zu Ausführungsgängen (Canaliculi), was die apikale Oberfläche bis zu 100-fach vergrößert und damit die Sekretionskapazität enorm erhöht; es entsteht der Eindruck entstehender Mikrovilli (<Abbildung).

Die Säureproduktion beginnt aber erst ~10 Minuten nach Einwirken eines Stimulans: So lange dauert es vermutlich, bis die Veränderungen in der nunmehr angeregten Belegzelle voll zum Tragen kommen.
 
Eine H+-K+-ATPase ermöglicht der Belegzelle die Sekretion von H+
 
Nach Beendigung der anregenden Reize bildet sich die Belegzelle wieder in die inaktive Form zurück.
 

>Abbildung: Nahrungsaufnahme und Säurebildung
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

In den Magen gelangter Speisebrei (Volumen: violette Kurve) senkt wegen seiner Pufferwirkung die Konzentration von Wasserstoffionen (rote Kurve). Die H+-Sekretionsrate (grüne Kurve) wird mit zeitlicher Verzögerung und wegen unterschiedlicher Pufferstärke und Verweildauer des Mageninhalts verschieden stark angeregt





Apikale Membran: Der Transport von Wasserstoffionen in das Lumen erfolgt über ATP-betriebenen
H+/K+-Austausch. Kalium- und Chloridionen gelangen - ihrem Gradienten folgend - über eigene Kanäle in das Lumen. Kalium wird für die Protonenpumpe benötigt, Chlorid "ergänzt" H+ zur Salzsäure.
 

Die apikale Membran der Belegzelle tauscht H+ aktiv (ATP) gegen K+ aus und verfügt über Kaliumkanäle, über die K+ rezirkulieren kann
 
Basolaterale Membran: Das für die HCl-Produktion benötigte Chlorid wird im Austausch gegen Bicarbonat (dieses wird in der Belegzellen durch Wirkung von Carboanhydrase aus CO2 nachfabriziert) durch einen Cl/HCO3-Antiporter aus dem Interstitium herbeigeschafft (<Abbildung). Die obligate Na+/K+-ATPase ist ebenfalls vorhanden.
 
Die basolaterale Membran der Belegzelle bringt Chloridionen über einen Cl-/HCO3--Austauscher aus dem Interstitium in die Zelle
 
Bei der Produktion von HCl wird Carboanhydrase benötigt, um die Verwandlung von CO2 in Kohlensäure zu beschleunigen ( vgl. dort).
 

<Abbildung: Mechanismus der Säureproduktion der Belegzellen
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Der Schlüsselprozess der Bildung von Salzsäure ist die apikale Sekretion von H+ im Austausch gegen K+ (links), angetrieben durch eine H/K-Pumpe (die von der Zelle aufgenommenen Kaliumionen werden über spannungsgesteuerte KvLQT1-Kaliumkanäle in das Lumen recycelt).
 
Der abschließende Schritt ist die Diffusion von Cl- durch Chloridkanäle (CFTR: Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) - HCl ist sezerniert worden.
 
In der basolateralen Membran befindet sich Na/K-ATPase und ein Chlorid-Bicarbonat-Austauscher. Durch die Sekretion von Wasserstoffionen steigt der intrazelluläre pH-Wert, was die Aufnahme von CO2, die Bildung von Bikarbonat und den Nachschub von Protonen antreibt (CA = Carboanhydrase). Bikarbonat wird basolateral im Austausch gegen Chlorid ausgeschieden (Pufferbasennachschub). Chlorid betritt die Zelle basolateral auch über Na/K/2Cl-Symporter und den SLC26A7-solute carrier (oben).
 
Wasser diffundiert transzellulär in das Magenlumen

Die Bewegung von Chloridionen durch die apikale Membran ist der Hauptgrund für das lumen-negative Potenzial (-60 bis -70 mV), das für säureproduzierende Magenschleimhaut charakteristisch ist (Ösophagus: -15 mV; Duodenum: -5 mV) und mit Elektroden (Katheterpositionierung) gemessen werden kann. Dieses Potenzial unterstützt die Sekretion von Protonen, die auf diese Weise einem elektrischen Gradienten folgen können.

Der Magensaft kann bis zu einem pH-Wert von 1 erreichen - entsprechend einer
~106-fachen Konzentrierung von Wasserstoffionen (der pH-Wert ist ein negativer dekadischer Logarithmus, d.h. eine Hochzahl auf der Basis zehn. 10-1 ist das Millionenfache von 10-7); meist liegt er zwischen pH 2 und pH 3. Das denaturiert Proteine, d.h. lädt Aminosäuren positiv auf und "entknäuelt" Eiweißmoleküle (was den Angriff von Proteasen erleichtert), aktiviert Pepsin und macht Bakterien das Überleben schwer.

Hemmung der Magensäureproduktion. Der zytoprotektive Effekt von Prostaglandinen beruht u.a. auf der Bildung von Bicarbonat und Muzin sowie Hemmung der Säuresekretion. Schleimhaut- und glatte Muskelzellen des Magens bilden PGE2 - dieses entsteht aus Arachidonsäure (in der Zellmembran - Wirkung der Cyclooxygenase).
 
  Prostaglandin-Synthesehemmer - nichtsteroidale Antirheumatika (NSAR) wie Acetylsalizylsäure oder Diclofenac - werden u.a. wegen ihrer schmerzhemmenden Wirkung verwendet. Sie reduzieren die Aktivität der Zyklooxygenase und damit auch die Schleimproduktion der Nebenzellen; zusätzlich schränken sie die Durchblutungsregulation der Mukosa ein und regen die Säureproduktion an. Der Säureschutz der Magenschleimhaut wird also durch Gabe von NSAR dreifach herausgefordert; Magengeschwüre können die Folge sein.
 
PGE2 hemmt die Produktion von HCl und fördert die Muzin- und Bicarbonatsekretion
 
Der Schutz der Magenschleimhaut basiert auf folgenden Mechanismen:
 
     Reduktion der Magensäureproduktion der Belegzellen 
 
     Erhöhte Durchblutung der Magenschleimhaut
 
     Bildung von Schleim und Bicarbonat (Pufferung) - der alkalische Schleim neutralisiert direkt die Wasserstoffionen (der pH-Wert liegt im Cardia- und Antrumbereich bei ~7!)
 
Dabei spielt Somatostatin eine wichtige Rolle:
 

      Es senkt in den Belegzellen die cAMP-Konzentration (direkter Effekt) und
 
      hemmt die Aktivität der G-Zellen (parakrin) sowie der ECL-Zellen (endokrin), senkt also die Gastrin- und Histaminfreisetzung (indirekter Effekt).

D-Zellen werden durch einen niedrigen pH-Wert im Magen (<3) angeregt sowie neuronal und humoral gesteuert. Somatostatin gilt als genereller Hemmstoff und wird fast überall im Körper gebildet; es inhibiert auch Cholezystokinin (CCK) und VIP.

Auch Sekretin, VIP und GIP dämpfen die Gastrinfreisetzung, fördern die Aktivität der D-Zellen und hemmen die Säurebildung. Weiters werden Belegzellen durch CCK gehemmt. Aus dem Ileum und Colon kommen weitere Signale: Bei lipidreichem Darminhalt bewirken von hier aus weitere Faktoren wie Peptid YY eine Bremsung der Belegzellaktivität.



Insgesamt ergibt sich ein komplexes Bild, bei dem die Steuerung der Magentätigkeit mehrfacher Kontrolle unterliegt. Insbesondere die Bildung von Salzsäure ist präzise austariert, Anregung und Hemmung der beteiligten Zellen gehen Hand in Hand. Ziel ist eine begrenzte Säurewirkung ohne Schädigung der Schleimhaut (die auch durch Muzine geschützt ist).
Ist dieses Gleichgewicht nicht gegeben, besteht die Gefahr von Schleimhautschädigung, Entzündung und Geschwürbildung (gastroduodenales Ulcus, s. unten).

 
Pepsin

Pepsinogene sind das Produkt der Hauptzellen. Hauptzellen (chief cells, peptic cells) haben ein hochentwickeltes endoplasmatisches Retikulum. Das hier produzierte Pepsinogen wird vom Golgi-Apparat in Zymogenvesikel verpackt, die zum apikalen Zellpol wandern und bei Reizung in das Magenlumen freigesetzt werden.

In der interdigestiven Phase beträgt die Pepsinogensekretion etwa 20% der digestiv maximal erreichbaren.

Bei einem pH<3 entstehen aus Pepsinogenen (einer aus mehreren Gruppen bestehenden Proteinfamilie: Pepsinogen A, B, C, F, Prochymosin - allesamt Zymogene, d.h. Vorstufen eines aktiven Enzyms) durch Abspaltung eines N-terminalen Peptids Pepsine (spontane Aktivierung).
Diese Endopeptidasen (~36 kDa) wirken eiweißspaltend, so lange genügend Salzsäure für ihre Aktivierung vorhanden ist. Pepsine aktivieren auch ihre eigene Vorstufe.
 

>Abbildung: Aktivierung von Pepsinogenen zu Pepsin
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Ist die Konzentration von Wasserstoffionen hoch genug (pH unter 5), entsteht Pepsin spontan aus seiner Vorstufe, den Pepsinogenen. Es bleibt nur stabil, wenn der pH-Wert <3,5 ist, andernfalls wird es wieder inaktiv. Dadurch ist seine Aktivität im weniger sauren Bereich limitiert


Hauptzellen werden durch eine Reihe von Stimuli zur Freisetzung von Pepsinogenen angeregt. Sie verfügen über eine Vielzahl an Rezeptoren, u.a. für
 
      Acetylcholin (der wichtigste Stimulus für die Pepsinogensekretion)
 
      Sekretin (Acetylcholin regt auch die Säureproduktion an und diese sie Sekretinbildung)
 
      VIP (wirkt sekretionsfördernd)
 
      Gastrin (regt Belegzellen an)

Pepsine wirken am besten in einem pH-Bereich zwischen 1,8 und 3,5. Setzen sie aus dem Chymus kleine Peptide und Aminosäuren frei, wirken diese wiederum anregend auf die Gastrinfreisetzung aus G-Zellen des Antrum. Damit wird wiederum die Ansäuerung des Mageninhalts verstärkt.

 
Intrinsic factor

Intrinsic factor (aus Belegzellen; MG 55 kDa) reagiert mit Vitamin B12 (=Kobalamin) aus der Nahrung und befördert es in gebundener Form in den Dünndarm weiter. Dort wird das Vitamin resorbiert. Atrophie der Magenschleimhaut führt u.a. zu Vitamin B12-Mangel. Da die Leber einen Vitamin B12-Vorrat für viele Monate (bis mehrere Jahre) speichern kann, treten Symptome nach mangelnder Vitaminzufuhr ("perniziöse" Anämie, funikuläre Myelose) sehr verzögert auf.
 
Der Intrinsic factor (IF) der Belegzellen bindet Vitamin B12 im Magen
 
Der untere Dünndarm (Ileum) endozytiert den IF-
B12-Komplex
 
Regulation der Magentätigkeit
  
Ohne Anregung produziert der Magen 10-15% der Menge an Salzsäure, die er bei maximaler Stimulierung sezerniert; das reicht aus, um dem Flüssigkeitsfilm auf der Mukosa einen pH<2 zu verleihen. Diese basale Sekretion unterliegt einem zirkadianen Rhythmus (geringe Menge morgens, höhere abends). Wie dieser Rhythmus zustande kommt, ist unkar, denn die basale (interdigestive) Gastrinfreisertzung ist ziemlich konstant.
 
 
<Abbildung: Autonome und humorale Einflüsse auf die Magentätigkeit
Nach einer Vorlage in New Human Physiology

Der Sympathikus sowie Enterogastrone (duodenale Hormone, z.B. Sekretin, CCK) hemmen die Magentätigkeit, der Parasympathikus (Vagus) und Gastrin fördern sie. Belegzellen produzieren Salzsäure.
 
Die Schrittmacherzone (rot) für die Magenperistaltik befindet sich im Übergangsbereich von Fundus- zu Corpus-Region


Nahrungsaufnahme erhöht die Sekretion (Digestionsphasen s. oben); etwa eine Stunde nach Beginn der Mahlzeit erreicht die Säureproduktion einen Höhepunkt. Mit sinkendem pH-Wert (Ansäuerung des Chymus mit sinkender Pufferwirkung sowie Entleerung des Magens) wird die Gastrinfreisetzung gehemmt; für die Steuerung der Säurebildung ist diese negative Rückkopplung extrem bedeutsam.
 
Welche Faktoren steuern die Magensekretion? Im Corpusteil des Magens beeinflusst der Vagus die Belegzellen (=Parietalzellen) direkt sowie enterochromaffinähnliche (ECL) und D-(δ-)Zellen. Im Antrumteil erreicht der Vagus G- und D-Zellen.

Aktivierung parasympathischer Fasern im Magen führt zu folgenden Effekten:

      Direkte Reizung von Belegzellen (HCl-Produktion) - cholinerg über Aktivierung von M3-Rezeptoren und Steigerung des intrazellulären Ca++-Spiegels

      Freisetzung von Histamin aus enterochromaffinähnlichen Zellen (ECL-Zellen) - dies sind neuroendokrine Zellen im Drüsenfeld des Magens (>Abbildung).
 
   
>Abbildung: Anregung der Säureproduktion
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Drei Sekretagoga stimulieren die HCl-Bildung: Acetylcholin (ACh), Gastrin und Histamin. Die ersten beiden tun das auch indirekt (rechts), indem sie ECL (enterochromaffine) Zellen zur Histaminfreisetzung anregen

     Angeregt werden ECL-Zellen durch Gastin, Acetylcholin (über muskarinische M1-Rezeptoren - diese Achse ist durch Atropin blockierbar) und auch Noradrenalin. Stimulation der ECL-Zellen erhöht die Säureproduktion via Histamin - dies erfolgt über Steigerung des cAMP-Spiegels in den Belegzellen. Vermutlich sind ECL-Zellen auch endokrin tätig (Wachstumsfaktoren u.a.).

     Der wichtigste Inhibitor der ECL-Zellen ist Somatostatin.
 
Aktive ECL-Zellen stimulieren die Säurebildung, der pH im Magen sinkt
 
Somatostatin hemmt ECL-Zellen und Säurebildung

   
      Freisetzung von Gastrin aus G-Zellen - diese Wirkung wird durch GRP vermittelt (s. oben). Anlagerung des Gastrins an den CCK-B-Rezeptor steigert den intrazellulären Ca++-Spiegel in der Belegzelle.

G-Zellen begrenzen ihre eigene Aktivität, indem ihr Gastrin (sowie auch die gebildete Salzsäure) D-Zellen stimuliert, was wiederum über das entstehende Somatostatin G-Zellen inhibiert
 
      M3-Rezeptor-vermittelte Hemmung der Freisetzung von Somatostatin. Da Somatostatin die Belegzellen hemmt sowie auch die Freisetzung von Histamin, bewirkt die Reduktion der Somatostatinbildung eine Disinhibition, regt also die HCl-Produktion an (dies bewirkt der Vagus auch direkt).
 
      Aktivierung von Oberflächenzellen zur Bildung von Bicarbonat - diese Wirkung haben auch Prostaglandine (PGE2)
 

<Abbildung: Rezeptoren und Signaltransduktionswege einer Belegzelle
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Acetylcholin (über M3-Rezeptor), Gastrin (über CCK2-Rezeptor) und Histamin (über H2-Rezeptor) wirken über die gezeigten Signalkaskaden anregend auf die H/K-Pumpe in der apikalen Membran.
  
Histamin, Gastrin und Acetylcholin fördern, Somatostatin hemmt die Insertion von H/K-ATPase in die apikale Membran der Belegzelle. Dies wird vermittelt durch cAMP (Histamin, Somatostatin) oder Calciumionen (Gastrin, Acetylcholin).
  
Prostaglandine hemmen via Rezeptoren in der basolateralen Membran Adenylylcyclase und senken auch die Histaminfreisetzung aus ECL-Zellen.

AC = Adenylatzyklase, DAG = Diazylglyzerol, ER = endoplasmatisches Retikulum, PIP2 = Phosphatidylinositol-Biphosphat, PKA = Proteinkinase A, PKC = Proteinkinase C, PLC = Phospholipase C


Belegzellen werden angeregt durch (<Abbildung)

    Acetylcholin aus postganglionär-parasympathischen Fasern über M3-Rezeptoren - das steigert intrazelluläres Calcium
 
    Gastrin aus G-Zellen - wirkt auf CCK-Rezeptoren, auch das steigert intrazelluläres Calcium
 
    Histamin aus ECL-Zellen - wirkt auf H2-Rezeptoren und wirkt über cAMP-Anstieg anregend auf die Belegzelle. Somatostatin senkt cAMP und wirkt dadurch hemmend auf die Säureproduktion.
 
Acetylcholin, Gastrin und Histamin regen die Salzsäureproduktion der Belegzellen an
 
Maximale Anregung der Salzsäureproduktion erfolgt durch die kombinierte Wirkung von Acetylcholin, Histamin und Gastrin.  Die gemeinsame Wirkung dieser Komponenten zur Erreichung eines maximalen Effekts ist ein Beispiel für Potenzierung.
 
  Wirkt nur eine oder zwei dieser Anregungen, ist die Säurebildung deutlich reduziert. Das bedeutet, dass die Blockade nur eines dieser Faktoren bereits einen starken Drosselungseffekt auf die Säureproduktion hat - z.B. wirkt die Gabe eines Histamin-Rezeptorblockers deutlich säurehemmend, auch bei hoher Konzentration von Acetylcholin und Gastrin an der Belegzelle.

Protonenpumpenhemmer können die H+/K+-ATPase und damit die Säureproduktion des Magens vollständig blockieren. Sie werden zur Behandlung von Magengeschwüren eingesetzt, die durch Überproduktion von Salzsäure entstehen (Gastrinome bedingen das Zollinger-Ellison-Syndrom, bei dem die Zahl und Aktivität von G-Zellen erhöht ist).
 
 
Bei Anregung bilden G-Zellen der Schleimhaut des Antrum (distale 20% des Magens, pyloric gland mucosa) Gastrin. Antrum-G-Zellen haben Mikrovilli an ihrer apikalen Membran und sind vom "offenen" Typ, d.h. ihr apikalenr Pol hat Kontakt mit dem Lumeninhalt (s. dort).
  
G-Zellen werden angeregt durch

       Dehnung der Magenwand, insgesondere im Antrum - dies ist der stärkste Reiz für die Gastrinausschüttung und wirkt Acetylcholinunabhängig über postganglionär- parasympathische Fasern (N. vagus), die das Neuropeptid GRP freisetzen (<Abbildung). Vermittelt wird dieser Effekt durch lokale Nervenbahnen sowie einen vagovagalen Reflex;

  Die Wirkungskette postganglionäre Zelle → GRP → Gastrin → Belegzelle → Salzsäureproduktion ist an keiner Stelle cholinerg vermittelt und daher durch Atropin nicht blockierbar.
   
       GRP (Gastrin Releasing Peptide) - ein neurokriners Peptid (27 As) aus Nervenzellen im Magen - wird durch cholinerge Impulse (Vagus) freigesetzt (<Abbildung unten) und regt die Gastrinsekretion in G-Zellen an. Der GRP-Rezeptor BB2 (benannt nach Bombesin, einem strukturell ähnlichen Peptid in der Haut der Rotbauchunke bombina bombina) ist G-Protein-gekoppelt und wird in Pankreas, Magen, Gehirn und Nebennierenrinde exprimiert.
   
GRP wird auch von Pituizyten im Hypophysenhinterlappen erzeugt. Es ist in die Regulation zirkadianer Rhythmen involviert und signalisiert Lichtinformation an den hypothalamischen Oszillator im nucl. suprachiasmaticus. Ferner scheint GRP Aspekte von Stress zu mediieren.
 
       während der gastrischen Phase durch die Anwesenheit appetitanregender Substanzen in Magen und Duodenum - "Saftlocker" wie Oligopeptide (z.B. in Suppen), Aminosäuren, weiters Nikotin, Koffein, Alkohol.
 
Zeitverlauf: Der Anstieg des Gastrinspiegels im Blut - auf ein Mehrfaches des Basiswertes - erfolgt innerhalb von 30-60 Minuten nach Einnahme des Mahles.

Gehemmt wird die Gastrinfreisetzung durch folgende Faktoren:

      pH-Wert ≤3 im Magenlumen (Selbstbegrenzung der Säurebildung) - durch Somatostatin aus D-Zellen im Antrum- und Corpusteil des Megans, die auf niedrigen pH-Wert (<3) im Lumen reagieren. Gastrin regt die Sekretion von Somatostatin an (negative Rückkopplung).



Somatostatin hemmt die Gastrinfreisetzung direkt und indirekt (>Abbildung unten): Im direkten Weg (para- oder endokrin) bindet es an Somatostatinrezeptoren der basolateralen Membran von Belegzellen und hemmt deren Säureproduktion; in zwei indirekten entweder durch Hemmung von ECL-Zellen im Corpusteil des Magens, oder durch Hemmung von G-Zellen im Antrum.

Somatostatin entsteht auch in ∂-Zellen des Pankreas sowie in Neuronen des Hypothalamus.
 
Saurer Chymus (pH<3) blockiert die Säureproduktion des Magens
   
       Enterogastrone, die von Dünn- und Dickdarm in der intestinalen Phase bei Dehnung, Hypertonizität, Übersäuerung oder hoher Fettsäurekonzentration abgegeben werden

       Prostaglandine (PGE2, PGI2) hemmen die Salzsäureproduktion der Belegzellen vermutlich indem sie mit der Histaminwirkung auf Belegzellen interferieren. Siehemmen via Prostaglandinrezeptoren in der basolateralen Membran die Adenylylcyclase und reduzieren darüber hinaus die Histaminfreisetzung aus ECL-Zellen.
 
  

>Abbildung: Steuerung der Magensaftsekretion
Modifiziert nach Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

Magencorpus:

Belegzellen (Parietalzellen, parietal cells) produzieren Salzsäure und verfügen über Rezeptoren für Acetylcholin, Histamin, Cholezystokinin (alle anregend) und Somatostatin (hemmend).

ECL-Zellen (Enterochromaffin- like cells) produzieren Histamin und haben Rezeptoren für Acetylcholin und Cholezystokinin (anregend) sowie Somatostatin (hemmend). Über cholinerge Rezeptoren verfügen sie nicht.

D-Zellen produzieren Somatostatin und werden durch Acetylcholin gehemmt.

Magenausgang:

G-Zellen produzieren Gastrin; sie werden apikal angeregt durch Oligopeptide im Darmlumen ("Saftlocker") und basolateral durch GRP (Rezeptoren), gehemmt durch Somatostatin.

D-Zellen produzieren Somatostatin; sie werden apikal durch H-Ionen, basolateral durch Gastrin angeregt und durch Acetylcholin gehemmt.

   ACh, Acetylcholin    CCK, Cholezystokinin    CCKB = CCK2-Rezeptor = Gastrinrezeptor    GRP, gastrin releasing peptide


Gastrin wird in der Form von Vorstufen gebildet und von der G-Zelle durch posttranslationale Verarbeitung (posttranslational processing) aufbereitet: Präprogastrin ist das primäre Transkript. Durch Sulfatierung und Enteroproteolyse entstehen Progastrine, die weiterer Endoproteolyse, sowie Ringbildung zu einem Pyroglutamylrest unterliegen.

So werden
Gastrin-Zwischenformen (Intermediate) gebildet, aus denen durch weitere Modifikationen schließlich das aus 17 Aminosäuren bestehende (G-17), biologisch aktive Gastrin entsteht, das vor dem Angriff durch Amino- und Carboxypeptidasen geschützt ist.

Gastrin wird in Granula an der Zellbasis (basolateral) gespeichert und bei Bedarf an das
Interstitium freigegeben, von wo es in die Blutbahn gelangt.
 
Gastrin: Wirkungen
 
Gastrin fördert bei Füllung des Magens die Sekretion von Salzsäure und Pepsinogen sowie die Kontraktionstätigkeit des Magens. Es wirkt über CCK-B-Rezeptoren (=Gastrinrezeptoren) in der Membran der betreffenden Zellen (DAG → Phospholipase C → L-Typ-Calciumkanäle Einströmen extrazellulären Calciums Exozytose histaminhältiger sekretorischer Vesikel → Histaminfreisetzung).

Gastrin fördert auch (über verstärkte Expression der Histamin-Decarboxylase) die Histaminsynthese und -speicherung in ECL-Zellen (Enterochromaffin-ähnliche,
ECL, enterochromaffin-like cells - >Abbildung).

   Die biologische Aktivität erfolgt über die letzten vier Aminosäuren des Gastrins; das synthetische Pentagastrin enthält diese Aminosäuren (plus N-terminales Alanin, was die Stabilität erhöht) und wirkt dementsprechend anregend auf Motorik und Sekretion des Magens etc. (s. unten).

Gastrin bewirkt also

  Anregung der Säureproduktion der Belegzellen

  Wachstum der Mukosa (Bereich der Belegzellen im Magen, Schleimhaut des Dünn- und Dickdarms; Antrektomie führt zu Atrophie der restlichen Magenschleimhaut)

  Anregung von Funktion und Wachstum histaminproduzierender ECL-Zellen im Corpusteil (unterstützt die Säureproduktion)

Zahlreiche weitere Wirkungen wurden beschrieben, sind aber physiologisch wohl nicht bedautsam:

  Tonuserhöhung (Verschluss) des Kardiasphinkters

  Anregung der Peristaltik am Magenausgang

  Sekretion von Galle und Pankreassaft

  Stimulation von D-Zellen im Antrum (Selbsthemmung der G-Zellen)
 
Rezeptor: Gastrin wirkt über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, die auch auf CCK ansprechen (CCK2-, CCKB-Rezeptor).

Die trophische Wirkung des Gastrins auf die Schleimhaut von Magen und Darm erklärt sich über eine Anregung der Synthese von Nukleinsäuren und Proteinen.

Überproduktion von Gastrin (Gastrinom) bedingt Mukosa-Hyperplasie / Hypertrophie und vermehrtes Wachstum von ECL-Zellen, Reduktion der Gastrinproduktion (Antrektomie) führt zu gastrointestinaler Schleimhautatrophie (behebbar durch exogenes Gastrin).

 
Somatostatin: Wirkungen
 
Somatostatin ist ein parakrin wirkender Faktor und stammt aus D-(δ)-Zellen im Magen, Dünndarm und endokrinem Parkreas. Sie sind vom "offenen" Zelltyp, d.h. mit Kontakt des apikalen Pols mit dem Lumeninhalt, s. dort). Im Fundus- und Corpusbereich des Magens hemmt Somatostatin die Histaminfreisetzung aus ECL-Zellen sowie die Aktivität der Belegzellen. Das ist zweckmäßig, um den pH-Wert im Lumen des Magens nicht zu stark (pH~3) sinken zu lassen und das Duodenum nicht zu übersäuern.

Angeregt
werden D-Zellen
 
     durch Wasserstoffionen im Mageninhalt, was die H-Ionensekretion begrenzt;

     durch Gastrin (Selbsthemmung von G-Zellen);

     durch VIP.

Reduzierte Freisetzung
von Somatostatin bewirkt eine Disinhibition, regt also die HCl-Produktion an.
 
   
Enterogastrone
 

Dünn- und Dickdarm geben in der intestinalen Phase - bei Dehnung, Hypertonizität, Übersäuerung oder hoher Fettsäurekonzentration - kollektiv als Enterogastrone bezeichnete Hormone ab: Dazu zählen
 
      Sekretin und GIP aus Duodenum und Jejunum,
 
      Peptid YY und GLP-1 aus Ileum und Colon.
 
Durch die Wirkung der Enterogastrone wird eine Übersäuerung der Schleimhaut verhindert, das pH-Optimum intestinaler Enzyme bewahrt und der Fettverdauung mehr Zeit gegeben.

Die intestinale Phase trägt bis zu 70% zur gesamten anregenden Wirkung auf die digestiven Vorgänge bei.
 

Verdauungshormone, welche die H+-Sekretion im Magen hemmen

Nach Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Hormon
Bildungsort
CCK
I-Zellen in Duodenum und Jejunum, Neurone in Ileum und Colon
Sekretin
S-Zellen im Dünndarm
VIP
Neurone des enteralen Nervensystems
GIP
K-Zellen in Duodenum und Jejunum
Neurotensin
Endokrine Zellen im Ileum
Peptid YY
Endokrine Zellen in Ileum und Colon
Somatostatin
D-Zellen in Magen und Duodenum, ∂-Zellen in Langerhans-Inseln

 

 
Übermäßiger Kaffeegenuss kann Magenschmerzen verursachen, da Koffein die Gastrinbildung und damit die Sekretion von Salzsäure anregt.
  

<Abbildung: Indigestion (Magenverstimmung; George Cruikshank)


     Funktionelle Einschränkungen des gastrischen Nervensystems (wie bei diabetischer Neuropathie) beeinträchtigen die Magenmotorik (MMC), was zur Bildung von Magensteinen führen kann. Die gastrische Akkommodation des Fundusbereichs ( s. oben) läßt nach, dies führt zu ungenügender Zwischenspeicherung und Auftreten von Völlegefühl.

     Überdehnung des Magens, Sekretin und zu niedriger pH-Wert des Mageninhalts hemmen die Gastrinfreisetzung.

     Übermäßige Freisetzung von Salzsäure leistet der Bildung von Geschwüren (gastroduodenale Ulzera) Vorschub. Die HCl-Produktion kann verringert (und die Ausheilung von Ulzera gefördert) werden durch

    Hemmung von Histaminrezeptoren (durch H2- Rezeptorblocker)
  
Gabe von Somatostatin-Analoga und Prostaglandin E2 ( Mechanismen s. oben)
   Hemmung der H+/K+-ATPase der Belegzellen (durch H+-Pumpen-Hemmer wie Omeprazol)

     Patienten, denen Teile des Magens entfernt wurde, müssen in kleineren Zeitabständen beschränkte Nahrungsmengen zu sich nehmen, um ein "Dumping-Syndrom" mit allzu starken Schwankungen des Blutzuckerspiegels zu vermeiden. Dabei kommt es zu überstürzter Entleerung von Mageninhalt in den Dünndarm, Flüssigkeitsverschiebung in den Darm (osmotische Wirkung) und Störungen der Glukostase (heftige Blutzucker- und Insulinschwankungen). Symptome sind Krämpfe und Übelkeit nach Mahlzeiten, begleitet mit Schweißausbrüchen und Tachykardie.

     Gastrinproduzierende Tumoren treiben die Belegzellen zu maximaler Bildung von Salzsäure an (Zollinger-Ellison-Syndrom). Dies führt zu so starker Ulcusbildung, dass es unbehandelt zu Blutungen und sogar Perforationen der Magenwand kommt.

     Prostaglandin E2 (PGE2) hemmt die Säuresekretion, fördert die Muzin- und Bicarbonatbildung sowie die Magendurchblutung und schützt so die Magenschleimhaut vor der Einwirkung von HCl (
s. oben). Zur Bildung von PGE2 (aus Arachidonsäure) ist die Zyklooxygenase 1 (COX 1) notwendig. Medikamente, welche deren Aktivität hemmen ("COX-Hemmer", z.B. die Schmerzmittel Acetylsalizylsäure, Ibuprofen), können bei häufiger Einnahme Magengeschwüre bedingen.

     Medikamentös nicht therapierbare Magen- oder Zwölffingerdarmgeschwüre (Ulcus ventriculi, Ulcus duodeni) können durch eine Magenresektion (Entfernung der unteren 2/3 des Magens) behandelt werden, weil der Verlust des Großteils der Belegzellen die Magensäureproduktion stark reduziert.
 

 
      Der Magen dient als Zwischenspeicher (Fundus: Vago-vagaler Akkommodationsreflex - Kapazität ~1,5 Liter mit ~10 mmHg Druckanstieg), bildet Salzsäure, Pepsinogen, intrinsic factor (Corpus), zerkleinert feste Teile des Chymus (Antrum). Er ist mechano- und chemosensitiv und bildet Hormone. Die Magenfunktionen wird hauptsächlich gastrisch angeregt (zephale Phase 20-30%, intestinale ~5%). Der Dünndarm hemmt die Pyloruspassage vor allem bei Anwesenheit von Fett (Enterogastrone). Der Zeitverlauf der Magenentleerung hängt vom aufgenommenen Volumen sowie  Osmolarität, Energiedichte und Verdaubarkeit des Chymus ab. Sphinkteren grenzen gegen Ösophagus (Cardia) und Duodenum (Pylorus) ab, diese sind neuronal und humoral gesteuert und lassen nur ausnahmsweise oralwärts gerichtete Passage zu (Regurgitation, Reflux, Erbrechen)
 
      Eine Schrittmacherzone im oberen Corpusteil reagiert auf Dehnung mit peristaltischen Wellen (~3 pro Minute), diese wandern bis zum Pylorus und durchmischen den Chymus. Interstitielle (Cajal-) Zellen zeigen oszillierende Entladungen, die Kontraktionswellen auslösen, wenn die Aktionspotentiale Plateauphasen ausbilden. Dies tritt autonom auf und kann durch nervöse oder endokrine Signale beeinflusst werden: Parasympathische Impulse, Gastrin und CCK erhöhen Stärke und Frequenz der Kontraktionen; sympathische Impulse, Sekretin und GIP senken sie. Motilin aus dem Dünndarm beschleunigt den myoelektrischen Komplex und regt die Magenentleerung an. Kontraktionswellen zermahlen den Inhalt des Magenausgangs zu ~1 mm großen Stücken (Antrummühle: Drucke bis über 100 mmHg), bevor der Pylorus den Chymus portionsweise (2-4 ml) in das Duodenum lässt. Die Verweildauer des Mageninhalts beträgt bei Flüssigkeiten einige Minuten, bei fettreicher Nahrung bis zu 9 Stunden. Die Magenentleerung nimmt mit dem Volumen exponentiell zu, das verhindert Überdehnung
 
      Der Magensaft enthält Muzin aus Nebenzellen (Schutz); Bicarbonat aus Oberflächenepithelzellen (Pufferung); Salzsäure aus Belegzellen (aktiviert Pepsinogen, regt die Gastrinsekretion an, wirkt keimtötend); Pepsinogen aus Hauptzellen (→ Pepsin, Endopeptidase); Intrinsic factor aus Belegzellen (Bindung an Kobalamin). Gastrin (aus G-Zellen), Histamin (aus ECL-Zellen), parasympathische Impulse regen die HCl-produktion an. Der Magen bildet ~10 ml Salzsäure pro Tag; Speisen wirken puffernd, α-Amylase des Speichels kann im Magen einige Zeit weiterwirken. Der Magensaft ist isoton, die Konzentration der einzelnen Elektrolyte hängt von der Funktion ab: In Ruhephasen sezernieren Nicht-Belegzellen Kochsalz und Natriumbicarbonat, mit steigender Sekretionsrate produzieren Belegzellen Wasserstoffionen (~10 ~160 mM)
 
      Belegzellen (HCl) haben Rezeptoren für Acetylcholin, Histamin, CCK (anregend) und Somatostatin (hemmend). ECL-Zellen (Histamin) haben Rezeptoren für Gastrin, Acetylcholin, Noradrenalin (anregend) und Somatostatin (hemmend). Parasympathische Impulse aktivieren Belegzellen, G-Zellen und hemmen D-Zellen. D-Zellen produzieren Somatostatin, werden apikal durch H+ (offener Zelltyp), basolateral durch Gastrin angeregt, durch Acetylcholin gehemmt. G-Zellen (Gastrin) werden angeregt durch appetitanregende Substanzen, Dehnung des Antrum (lokale Nervenbahnen plus vagovagaler Reflex), GRP aus Nervenzellen im Magen; gehemmt wird sie bei pH ≤3 im Magenlumen (Selbstbegrenzung) und Somatostatin. Gastrin fördert die Trophik der Schleimhaut, regt die Sekretion von Salzsäure und Pepsinogen sowie die Histaminsynthese in ECL-Zellen an. PGE2 hemmt die Produktion von HCl und fördert die Muzin- und Bicarbonatsekretion
 

 

Eine Reise durch die Physiologie


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