Energie- und Stoffwechsel


Metabolischer Status


 
© H. Hinghofer-Szalkay

Azeton: Von "acetic acid" + "on" (acidum = Säure)
Kalorie: calor (lat) = Hitze, Wärme
Ketose: Von "Aketon" = Azeton
postprandial: post = nach, prandium = Frühstück, Mahlzeit
Rekonvaleszenz: valere (lat) = gesund sein, gedeihen



In der Resorptionsphase (nach dem Essen = postprandial) werden aus dem Darmlumen Nahrungsmittel neu absorbiert und der Blutbahn zugeführt, der Blutspiegel an Glukose, Aminosäuren etc bleibt dadurch im Normbereich und die Versorgung der Gewebe unproblematisch. In der Postresorptionsphase greift der Metabolismus auf körpereigene Speicher zurück, um die Blutwerte wichtiger Baustoffe und Energieträger stabil zu halten.

Dauert ein Mangelzustand (Aufnahme von weniger als 50 g Kohlenhydrate pro Tag) an, dann reicht die hormonelle Regulation des Stoffwechsels nicht aus, z.B. den Blutzuckerspiegel im Referenzbereich zu halten. Vor allem das Gehirn, aber auch die Muskulatur, muss laufend mit energieliefernden Molekülen versorgt werden, die auch die Blut-Hirn-Schranke überwinden können. Eine Ausweichmöglichkeit bieten die Ketonkörper (Azeton, Azetessigsäure, ß-Oxy-Buttersäure), die von der Leber in Hungerperioden aus Fettsäuren gebildet werden und Glukose - nach einigen Tagen der enzymatischen Anpassung - als Energielieferant im Gehirn teilweise ersetzen können (Azetessigsäure und ß-Oxy-Buttersäure - der Glukoseverbrauch des Gehrins ist dann von ≈120 g/d auf ≈40 g/d gesunken).

Eine Übergangsphase mit Müdigkeit, Schwäche und reduzierter Leistungsfähigkeit ist bald überwunden, und die betroffenen Personen fühlen sich wieder gut, oft sogar besonders leistungsfähig (was für das Überleben von Vorteil sein kann). Der Nachteil dieses Mechanismus besteht darin, dass er säureüberschüssig ist. Von Ketoazidose spricht man, wenn die Konzentration von Ketokörpern so stark ansteigt (5-25 mM), dass eine unkompensierte metabolische Azidose resultiert.


Resorptions- und Postresorptionsphase Hunger, Ketose, Ketonkörper Steuernde Signale aus dem gastrointestinalen System  Kalorimetrie Anaerobe vs. aerobe Energiegewinnung Stoffwechselstress


>Abbildung: 24-h-Energiestoffwechsel (Referenzpopulation junger Frauen und Männer)
Nach: Westerterp KR et al, Energy expenditure and physical activity in subjects consuming full- or reduced-fat diets. Br J  Nutr 1996; 76: 785–95

 Spezifisch-dynamische Wirkung (Max Rubner) - die Steigerung des Energieumsatzes durch Verwertung neu aufgenommener Nahrungsstoffe, vor allem Eiweiß - auch unter folgenden Namen bekannt: Specific dynamic action (SDA), Diet-induced thermogenesis (DIT), Thermic effect of food (TEF)

Der Tagesablauf geht mit einer Abfolge von Phasen einher, in denen mehr Substrate anfallen als verbraucht werden und solchen, wo dies umgekehrt ist ("fette und magere Zeiten"). Die eine Situation ist gekennzeichnet durch hohes Angebot von Nahrungsstoffen (postprandial, d.h. nach dem Essen: resorptive Phase) und solchen mit leerem Intestinum ("nüchtern", postresorptiv, "Nahrungspause").

Solche Wechsel des metabolischen Status werden vom gesunden Stoffwechsel ohne weiteres kompensiert; die Feinregulierung von Blutzuckerspiegel und Substratutilisation erfolgt in erster Linie hormonell. Längere Perioden fehlenden Nachschubs führen zu Hungerzustand und Ketose (Anstieg des Blutspiegels der Ketonkörper - Normalbereich um die 0.5 mM, im ketotischen Zustand 2-5 mM, Ketoazidose ab ≈15 mM); auch dies kann durch hormonelle Anpassung für Tage bis Wochen kompensiert werden (vorausgesetzt, Flüssigkeits- und Salzzufuhr verhindert Dehydrierung und Volumenverlust).



<Abbildung: Stoffwechsel in der Resorptionsphase
Nach einer Vorlage bei aibolita.com

In dieser Phase produzieren die meisten Körperzellen ATP durch Oxidation anflutender Glukose (rechts oben)

      Die Resorptionsphase (absorptive state) dauert normalerweise - je nach Nahrungsaufnahme - mehrere Stunden. Solange in den Darm aufgenommene Nährstoffe zur Verfügung stehen (nach einer Mahlzeit: postprandial), werden sie resorbiert und für Synthese und Speicherung herangezogen. Die Konzentrationswerte an Glukose, Lipiden und Aminosäuren steigen im Bluplasma während dieser Zeit an.

Eine durchschnittliche Mahlzeit liefert ≈30-60 g Glukose; Gehirn (≈6 g/h) und Erythrozyten (≈1,5 g/h) verbrauchen etwa 7-8 g/h, der Rest wird im Körper zwischengespeichert - z.B. in der Leber - oder auch für andere Zwecke weiter genützt, z.B. zur Bildung von Fettsäuren oder Nukleotiden.

Der Anstieg der Substratkonzentrationen im Blut stimuliert die Freisetzung eines Hormons, das gleichzeitig das einzige ist, welches den Blutzuckerspiegel effektiv senkt (weil Glukose in die Zellen eingebaut wird): Insulin erleichtert die Einlagerung von Substraten in Zellen, die über Insulinrezeptoren verfügen (vor allem Fett- und Muskelzellen).

Die Resorptionsphase wird genützt, um Glukose in Fett (Langzeitspeicher) sowie Glykogen umzubauen (in der Leber für den allgemeinen, in der Muskulatur für den Eigenbedarf; der Glykogengehalt im Muskel bleibt ziemlich konstant, der in der Leber schwankt sehr stark).

Selbstverständlich werden auch andere Nahrungsstoffe eingelagert (z.B. Aminosäuren). Die Leber bildet auch vermehrt VLDL für den Transport von Fettsäuren in die Peripherie (die Leber selbst speichert physiologischerweise kein Fett). Das Fettgewebe bildet in dieser Phase Energie aus der Glykolyse (und verbraucht so Zucker aus dem Blut).


 
>Abbildung:
Stoffwechsel in der Postresorptionsphase
Nach einer Vorlage bei aibolita.com


In dieser Phase muss der Blutzuckerspiegel stabilisiert werden

      Die Postresorptionsphase (postabsorptive state) entspricht dem Nüchtern- bzw. Hungerzustand. Der Darm liefert keine frischen Nährstoffe nach, der Stoffwechsel muss auf Versorgung durch im Körper gespeicherte Energie umgeschaltet werden. Dazu werden Glukose, Glyzerin, Fettsäuren (Energiestoffwechsel), Aminosäuren (Proteinsynthese) u.a. herangezogen (kataboler Stoffwechsel).

Beim Abbau von Kohlehydraten, Fetten und Aminosäuren entsteht Energie. Diese wird zum Teil als Wärme frei, zum Teil wird sie auf energiereiche Moleküle übertragen.

Die Leber schaltet in der Postresorptionsphase auf Energieversorgung des Organismus - insbesondere für die ständigen Glukoseverbraucher Gehirn, Erythrozyten und Nierenmark: Zuerst via

     Glykogenolyse (Kapazität der Glukoseproduktion ≈4,5 g/h), dann

     Glukoneogenese (≈3 g/h) - und bei längerem Substratmangel (Hungerzustand, unbehandelter Diabetes mellitus)

     Ketogenese (Bildung von Ketonkörpern aus Fett).

Im Fettgewebe aktiviert Glukagon die hormonsensitive Lipase - also den Fettabbau, bei dem Glyzerin (dieses wird von der Leber glukoneogenetisch verwertet) und Fettsäuren entstehen (diese versorgen vor allem Muskelzellen mit Energie, und die Leber für die Ketogenese).

Die Postresorptionsphase ist durch einen niedrigen Insulinspiegel charakterisiert und steht unter dem Einfluss mehrerer ("kontra-insulinärer") Hormone, vor allem Glukagon, das vor allem aus der Leber Glukose mobilisiert. Kurzfristig helfen weiters Adrenalin, längerfristig (über Enzyminduktion) Glukokortikoide und Schilddrüsenhormone.

Der Glukosebedarf beträgt im Normalfall ≈5 g/kg Körpermasse pro Tag (das Gehirn alleine benötigt ≈130 g Glukose pro Tag), er nimmt im Hungerzustand deutlich ab (
s. dort). Der Abbau von körpereigenem Protein kann im frühen katabolen Zustand bis zu ≈100 g/d (>1 g/kg/d) betragen, reduziert sich mit andauerndem Nahrungsmangel allerdings, weil dann ein Teil der Energieversorgung über Ketonkörper bewerkstelligt wird (s. unten).
 

<Abbildung: Stoffwechselzustände und Insulin / Glukagon-Quotient
Nach einer Vorlage in Spektrum der Wissenschaften

Stoffwechsel in der resorptiven (links) und postresorptiven ("Hunger"-) Phase (rechts)

  Die Glykogenreserven in Leber und Muskel können mehrere Stunden fehlender intestinaler Zufuhr überbrücken. Ein niedriger Insulin / Glukagon-Quotient ist Ausdruck für Förderung der Glykogenolyse, Glukose wird dem Körper zur Verfügung gestellt (der Energiestoffwechsel des Gehirns ist weitgehend glukoseabhängig).

Die Glykogenreserven sind abhängig von der vorangegangenen Ernährungsform (Diätplan).

  Bei längerer Nahrungskarenz werden Fettreserven mobilisiert: Dazu werden Fettsäuren von der Leber über Azetyl-Koenzym A in Ketonkörper (ß-Oxy-Buttersäure, Azetessigsäure und Azeton ) umgebaut.

   
  Ketonkörper entstehen in Mitochondrien (der Leber) und
  werden in Mitochondrien (im gesamten Körper) abgebaut.

Kennzeichnend für Ketose ist ein fruchtiger Azetongeruch in der Ausatemluft bei Hungernden oder (unbehandelten) Diabetikern. Der Ketonkörperspiegel steigt von ≤0,5 auf 2-5 mM/l an; bei weiterer Erhöhung spricht man von Ketoazidose (Ketonkörperspiegel im Blut bis 25 mM/l oder mehr). Dann liegt eine dekompensierte metabolische Azidose vor.

  Ketonkörper (Serum)
postprandial <0,5 mM
Hungerzustand 2-5 mM
Ketose >5 mM

Ketonkörper werden bei niedrigem Glukoseangebot von den Geweben, vor allem dem Gehirn, zur Energiegewinnung herangezogen. Der Blutzuckerspiegel kann dabei auch bei ausgedehnten Fastenperioden ziemlich unverändert bleiben, da er durch mehrfache hormonelle Absicherung stabilisiert wird.

Im Hungerzustand stellt das Gehirn von fast ausschließlicher Glukoseabhängigkeit auf Verwertung von Azetazetat und ß-Hydroxybutyrat um - die entsprechende Verwertungskapazität steigt innerhalb weniger Tage des Hungerns bis zu ≈20-fach an (enzymatische Anpassung). Ketonkörper werden vom Nervengewebe über Azetyl-CoA wieder in den Zitratzyklus eingeschleust (oxidative Energiegewinnung). Der zerebrale Glukoseverbrauch nimmt dabei von ≈120 g/d bis auf ≈40 g/d ab, d.h. das Gehirn kommt mit einem Drittel des sonst üblichen Glukoseangebotes aus.

Der hauptsächlich im Blut vorhandene Ketonkörper ist ß-Hydroxybutyrat. Bei seiner Synthese in der Leber entsteht auch NADH/H+, das peripher in der Atmungskette für die ATP-Synthese verwendet wird.

 

>Abbildung: Extremsituationen des Energiestoffwechsels

Links: Nach einer Mahlzeit wird der Glukose-Überschuss vor allem in insulinabhängigen Geweben gespeichert

Rechts
: Im Hungerzustand werden vor allem Fettsäuren (FS) für den Energiehaushalt herangezogen

AS, Aminosäuren  Glu, Glukose  Glyc, Glyzerin  Lac/Pyr, Laktat / Pyruvat  KK, Ketonkörper

  In katabolen Stoffwechselsituationen dienen auch Aminosäuren der Energiegewinnung; die meisten sind für den Aufbau von Glukose nutzbar. Solche Aminosäuren nennt man glukogen oder glukoplastisch (=zuckerbildend) - nur Leuzin und Lysin können vom Stoffwechsel nicht glukogen verwendet werden.

Der Abbau von Aminosäuren zur Energiebereitstellung ist eine Notmaßnahme.
Bei mangelhafter Proteinzufuhr nehmen die Abwehrkräfte des Körpers ab, was - neben Vitamin- und Spurenelementmangel - die erhöhte Infektionsbereitschaft bei Mangelernährten erklärt.

Sauerstoff wird zur Oxidation energieliefernder Moleküle gebraucht. Die Stoffwechselschritte, die unter Sauerstoffverbrauch ablaufen, heißen aerob bzw. oxidativ. Ohne O2-Verbrauch erfolgende Energiegewinnung bei Mangel an verfügbarem O2 bezeichnet man als anaerob bzw. anoxidativ; diese liefert im Vergleich zur aeroben wenig Energie (≈180 kJ/Mol Glukose anaerob vs. ≈2880 kJ/Mol Glukose aerob; Faktor ≈15).

Metabolisches Gleichgewicht. Ist die Summe der verbrauchten und der aufgenommenen Energie gleich groß, bleiben die Energiespeicher im Körper - vor allem die Menge des Fettgewebes - und damit das Körpergewicht etwa konstant.


<Abbildung: Rezeptoren auf / in Fettzellen
Nach einer Vorlage bei leighpeele.com

Die Speicherfunktion der Fettzellen kann über zahlreiche Rezeptoren endokrin gesteuert werden. Die Blutspiegel der hormonellen Faktoren hängen von der aktuellen Stoffwechsellage ab, z.B. produziert das Pankreas in der Resorptionsphase viel Insulin, und dieses regt die Fettsynthese in den Adipozyten an

Energie kann in zwei Formen verwertet werden:

  Wärmeabgabe an die Umwelt (inklusive Arbeitsleistung). Zum obligaten Umsatz (Grundumsatz) kommt der zusätzliche Energieumsatz, vor allem durch körperliche Belastung.

  Ist das Gleichgewicht zwischen Energiezufuhr (Nahrung) und Energieverbrauch nicht gegeben, so wird entweder Fett verbraucht (Abnahme der Fettmasse) oder zusätzlich angelegt (Zunahme der Fettmasse).
Faustregel: Ein Energiedefizit von 1000 Kalorien / Tag
führt zu einer Senkung der Fettmasse um ≈1 kg pro Woche.


>Abbildung: Ghrelin und andere enteroendokrine Faktoren
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 2016; 97: 411-63

Das im Magen gebildete Ghrelin diffundiert in Kapillaren der lamina propria

1: Zu seinen Zielgeweben gehört das Gehirn (Hungergefühl, Anregung der Nahrungsaufnahme), der Magen (Stimulierung der Magenentleerung) und das Pankreas (Hemmung der Insulinsekretion)

2: Nervöse Reize regen die Ghrelinbildung an

3: Während und nach dem Essen hemmen enterohumorale Faktoren aus dem Dünndarm - u.a. CCK und PYY - die Ghrelinfreisetzung

Steuernde Signale aus dem gastrointestinalen System: Sowohl der Magen als auch der Darm beteiligen sich an der Steuerung nicht nur der Vorgänge im gastrointestinalen System, sondern auch der Insulinsekretion sowie Hunger / Sättigung und Nahrungsaufnahme (>Abbildung). So wird immer wahrscheinlicher, dass Faktoren wie Ghrelin (Magen), CCK, GLP-1 und PYY3–36 (Dünndarm) das Essverhalten und damit auch Speicherung und letztlich Körpergewicht des Menschen beeinflussen.

  Man kann den Energieumsatz ziemlich genau aus dem Sauerstoffverbrauch errechnen: Ein Liter Sauerstoff, der im Stoffwechsel verbraucht wird, liefert etwa 5 Kilokalorien (≈20 kJ) an Energie (Energie-, metabolisches oder kalorisches Äquivalent). Dieses Verfahren heißt indirekte Kalorimetrie; misst man die vom Körper abgegebene Wärmemenge, spricht man von direkter Kalorimetrie.

Der Energieumsatz ist abhängig von Hautoberfläche, Schilddrüsenfunktion, Alter und Geschlecht. Er wird je nach den herrschenden Begleitumständen benannt als

  Grundumsatz - Energieumsatz im Nüchternzustand, bei körperlicher Ruhe und Indifferenztemperatur

  Ruheumsatz - Energieumsatz ohne körperliche Belastung

  Leistungs- oder Arbeitsumsatz bei körperlicher Belastung

   Näheres dazu s. dort.


<Abbildung: Grundumsatz als Funktion des Alters in Jahren

Gemittelt und auf die Hautoberfläche normiert. m = Männer, f = Frauen

Mechanisch geleistete Energie pro Gesamt-Energieumsatz ergibt den Wirkungsgrad.
Der Energieumsatz - bei körperlicher Ruhe etwa 6 Kilojoule / Minute, entsprechend einem Sauerstoffverbrauch von 0,3 Liter / min - steigt bei Muskelaktivität beim Gesunden bis 10-20fach an (je nach Trainingszustand), d.h. bei Maximalbelastung bis auf ≈100 kJ/min - entsprechend ≈1700 Watt Leistung; dazu werden ≈5 Liter Sauerstoff pro Minute benötigt.

Körperliche Belastung bedeutet für die Muskulatur vermehrten Energieumsatz.
Bei stationärer mäßiger Arbeitsleistung stammt die Energie (wie auch im Ruhezustand) zum Großteil aus dem Abbau von Triglyzeriden, eine lange verfügbare Reserve. Bei Höchstleistung (mehr als ≈50% der maximal möglichen Muskelleistung) reicht der Energiefluss aus dem Fettsäureabbau nicht aus, und der Anteil der Glukose an der Energieversorgung des Muskels steigt auf bis zu ≈75% des gesamten Energieflusses an.


>Abbildung: Anaerobe vs. aerobe Energiegewinnung
Nach einer Vorlage bei publi.cz

Insbesondere zu Beginn der Aktivität reicht die Sauerstoffversorgung des Muskels für oxidative Metabolisierung nicht aus (die Durchblutung muss erst zunehmen), Glukose wird nur bis zur Stufe von Pyruvat / Laktat abgebaut. Dabei werden 2 Mol ATP verbraucht, 4 gewonnen (Netto-Ertrag 2 Mol ATP pro Mol Glukose). Bei ausreichender Sauerstoffversorgung kann die Glykolyse über Krebs-Zyklus und Atmungskette vollständig bis Kohlendioxid erfolgen, die Energieausbeute beträgt 34 Mol ATP / Mol Glukose, ist also 17-mal höher

Unmittelbarer Energielieferant für die Muskelkontraktion ist Adenosintriphosphat (ATP). Wird der Muskel aktiviert, verbraucht sich das unmittelbar verfügbare ATP innerhalb weniger Sekunden. Die Art der zum "Nachladen" des ATP-Pools verwendeten Energiequellen hängt von der Dauer der Muskelaaktivität ab:

      Kurzzeitig wird ATP aus einem in der Muskelzelle angelegten Speicher von Kreatinphosphat nachgebildet - unter Wirkung der Kreatinkinase. Dieser Energievorrat reicht für mehrere Sekunden, nach weniger als einer Minute ist er (bei kontinuierlicher Muskelaktivität) gänzlich erschöpft.

      Innerhalb von Sekunden springt die anaerobe Glykolyse an. Sie kann noch vor Ablauf einer Minute mehr als die Hälfte des Energiemusatzes des Muskels bestreiten, bei kurzzeitiger Belastung (z.B. Sprint, >Abbildung) reicht dieser Beitrag aus, auch wenn er bei ungenügender Sauerstoffzufuhr rasch zu Übersäuerung führt (Laktazidose, s. dort). Anschließend nimmt der Beitrag der Glukoseutilisation wieder ab und ist nach wenigen Minuten so gut wie verschwunden. Nun tritt aerober Abbau auf den Plan:

      Nach etwa 10 Minuten gipfelt der Beitrag des aeroben Kohlenhydratabbaus in der Muskulatur (diese nimmt Glukose auf, was den Blutzuckerspiegel senkt: Die Aufnahme der Glukose aus dem Extrazellulärraum wird durch Insulin begünstigt). Muskelglykogen ist eine Energiereserve für die Muskelzelle selbst (Glykogen bis zu 3% der Zellmasse). Dies ist besonders für kurze Belastungen gut - auch bei ungenügendem Sauerstoffangebot (anaerober Abbau bis Laktat), allerdings nur für kurze Zeit (metabolische Azidose!).

   Zum Energiestoffwechsel während Muskelbelastung s. auch dort.

Der Mechanismus der Glukoseverwertung wirkt bis über eine Stunde (maximal ≈3 Stunden bei kohlenhydratreicher Kost), dann sind die Glykogenreserven des Muskels erschöpft.

      Etwa 10 Minuten nach Beginn der Arbeit beteiligt sich der aerobe Kohlenhydratabbau in der Leber, dieser nimmt etwa 2 Stunden lang an der Energiebereitstellung teil.

      Gut eine Viertelstunde nach Beginn der Aktivität beginnt der aerobe Fettsäureabbau, sein Maximum ist nach 2 Stunden (oder mehr) erreicht, und für Ausdauerbelastung übernimmt dieser Mechanismus am Ende vollständig den Beitrag zur ATP-Synthese.

   Zur Durchblutung der Skelettmuskulatur s. dort.



Schwere Belastungen (Traumen, Operationen, Unfälle, Verbrennungen) bedingen eine Umstellung auf posttraumatischen oder Postaggressionsstoffwechsel. Zunächst tritt Blutvolumenabfall und Hypothermie auf ("Stoffwechselebbe"), anschließend (≈1 Tag) aufgrund hormoneller Aktivierung (Katecholamine, Kortisol, Glukagon, Wachstumshormon: Stresseffekt) vermehrter Stoffwechsel mit gesteigerter Fettoxidation, Eiweißkatabolismus und Hyperthermie ("Flutphase").

Insgesamt kann man die Anpassungsvorgänge des "Postaggressionssyndroms" in mehrere Phasen einteilen:

  Traumatisierung - durch depressive Verstimmung, Durstgefühl und Schmerzempfinden gekennzeichnet, Dauer wenige Tage

  Normalisierung der vegetativen Funktionen (Temperatur, Kreislauf, Atmung, Appetit, Peristaltik) - einige Tage

  Phase des Anabolismus: Eiweißaufbau, Erholung, Schlafbedürfnis - ca. 2 Wochen

  Rekonvaleszenz mit Rückerlangung des Körpergewichts und der vollständigen Leitungsfähigkeit
Der Energieumsatz steigt nach einem chirurgischen Eingriff um etwa 25% (die Stickstoffausscheidung auf mehr als das Doppelte), bei Sepsis um ≈80%, nach großflächigen Verbrennungen um mehr als 120% (die Stickstoffausscheidung ist in letzteren beiden Fällen mehr als verdreifacht).


Eine Reise durch die Physiologie


  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.