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

     
Energie- und Stoffwechsel

Metabolischer Status
 © H. Hinghofer-Szalkay

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



In der Resorptionsphase (nach dem Essen = postprandial) werden aus dem Darmlumen Nahrungsmittel aufgenommen und der Blutbahn zugeführt. 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, um den Blutzuckerspiegel im Referenzbereich zu halten. Vor allem das Gehirn muss laufend mit energieliefernden Molekülen versorgt werden, die auch die Blut-Hirn-Schranke überwinden können. Ketonkörper (Aceton, Acetessigsäure, ß-Oxy-Buttersäure) werden von der Leber in Hungerperioden aus Fettsäuren gebildet und ersetzen teilweise Glucose - nach einigen Tagen der enzymatischen Anpassung - als Energielieferant (der Glucoseverbrauch des Gehirns kann bei entsprechender Zufuhr von Ketonkörpern von ~120 g/d auf ~40 g/d absinken).

Ist eine Übergangsphase mit Müdigkeit, Schwäche und reduzierter Leistungsfähigkeit überwunden, fühlen sich die betreffenden Personen wieder gut, oft sogar besonders leistungsfähig (vorteilhaft für das Überleben unter Hungerbedingungen). Der Nachteil dieses Mechanismus besteht darin, dass er säureüberschüssig wirkt. Von Ketoazidose spricht man, wenn die Konzentration von Ketokörpern so stark ansteigt (5-25 mM), dass eine unkompensierte metabolische Azidose auftritt.


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

Praktische Aspekte       Core messages
 
Schwankende Zufuhr wird durch körpereigene Speicher und endokrine Anpassung kompensiert
   
Digestive Phase Postdigestive Phase
 
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").
 

>Abbildung: 24-h-Energiestoffwechsel
Nach Westerterp KR, Verboeket-van de Venne WP, Bouten CV, de Graaf C, van het Hof KH, Weststrate JA. Energy expenditure and physical activity in subjects consuming full- or reduced-fat diets. Br J  Nutr 1996; 76: 785-95

Durchschnittswerte bei einer Referenzpopulation junger Frauen und Männer


Unter Spezifisch-dynamischer Wirkung (Max Rubner) versteht man die Steigerung des Energieumsatzes durch Verwertung neu aufgenommener Nahrungsstoffe (vor allem Eiweiß). Dieses Phänomen trägt im angloamerikanischen Raum auch folgende Bezeichnungen: Specific dynamic action (SDA), Diet-induced thermogenesis (DIT), Thermic effect of food (TEF). Die spezifisch-dynamische Wirkung geht mit erhöhter Durchblutung des Darms einher (postprandiale Hyperämie).

Als Glucosetoleranz bezeichnet man die Fähigkeit, eine Glucosebelastung zu verarbeiten und den
Blutzuckerspiegel zu stabilisieren: Pankreas (Langerhans-Inseln), Gehirn, Speicherorgane (Fettgewebe, Leber), Muskulatur (diese kann den Energieverbrauch des Körpers vervielfachen).

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).
 
Digestive Phase
 
In der Resorptionsphase (digestive, prandiale / postprandiale Phase, prandial phase, absorptive state)steigt der Spiegel an Nährstoffen im Kreislauf (<Abbildung). Insbesondere steigt der Glucosespiegel, und Glucose (Blutzucker) gelangt über verschiedene Transportsysteme (glucose transporters, GLUT) in die Zellen.
 

<Abbildung: Stoffwechsel in der Resorptionsphase (postprandial)
Nach einer Vorlage bei Hilal-Dandan / Brunton, Goodman & Gilman's Manual of Pharmacology and Therapeutics, 2nd ed., McGraw Hill Education 2014

In dieser Phase produzieren die meisten Körperzellen ATP durch Oxidation anflutender Glucose. Diese kommt aus dem Darm (Kohlenhydratresorption); der Glucosespiegel im Blut steigt leicht an (von <100 auf ~130 mg/dl).
 
Die Insulinproduktion ist angeregt, der Insulinspiegel ist hoch, der Glucagonspiegel niedrig. Leber, Muskulatur und Fettgewebe nehmen Glucose auf. Lipolyse (Fettgewebe) und Glukoneogenese (Leber) sind infolge Insulineinfluss gehemmt


Die digestive Phase hält - je nach Nahrungsaufnahme - 2-3 Stunden nach der Nahrungsaufnahme an. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass mit der Nahrung frisch zugeführte Substrate aus dem Gastrointestinaltrakt absorbiert werden.

Die Konzentrationswerte an Glucose, Lipiden und Aminosäuren steigen im Bluplasma während dieser Zeit an. Solange Nährstoffe zur Verfügung stehen (nach einer Mahlzeit: postprandial), werden sie resorbiert und für Synthese (Anabolismus) und Speicherung herangezogen.

Eine durchschnittliche Mahlzeit liefert ~30-60 g Glucose; 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.

Bei Anwesenheit von Nährstoffen an der intestinalen Mukosa geben spezialisierte Zellen die Inkretine (insulinotropen Hormone) GIP und GLP-1 in das Blut ab - proportional zum Substratangebot. Inkretine stimulieren - zusammen mit erhöhten Substratkonzentrationen und parasympathischer Aktivität - die Freisetzung von Insulin, dem einzigen Hormon, das den Blutzuckerspiegel effektiv senkt, indem es die Aufnahme von Glucose in Zellen mit Insulinrezeptoren fördert.

Das bedeutet, dass die Insulinsekretion schon steigt, bevor der Glucosespiegel im Blut noch wesentlich erhöht ist ("vorausschauende" Inkretinfunktion), und die Insulinantwort auf das alimentäre Zuckerangebot ist insgesamt intensiviert.

 

>Abbildung: Postprandialer Stoffwechsel (schematisch, vereinfacht)

Nach einer Mahlzeit wird der Glucose-Überschuss vor allem in insulinabhängigen Geweben gespeichert.
 
Gerundete Mittelwerte in g/l


  AS, Aminosäuren  Glu, Glucose  Glyc, Glyzerin  Lac/Pyr, Laktat / Pyruvat



     Insulin fördert die Einlagerung von Glucosetransportern in die Membran von Muskel- und Fettzellen und erleichtert damit die Glucoseaufnahme. Inkretine fördern die Insulinbildung und sind ein wesentlicher Bestandteil der Glucosetoleranz.

Im Fettgewebe inhibiert Insulin die hormonsensitive Lipase, die Triglyzeride zu Glyzerin und Fettsäuren abbauen würde. (Die intrazelluläre hormonsensitive Lipase hydrolysiert ein breites Spektrum von Estern und ist durch Katecholamine und ACTH aktivierbar.) Gleichzeitig regt es die Synthese der Lipoproteinlipase an, was die Fetteinlagerung fördert. Insbesondere im Muskelgewebe regt Insulin die Aufnahme von Aminosäuren und die Proteinsynthese an.

Anlegen metabolischer Speicher: Die Resorptionsphase wird von Stoffwechsel genützt, um Glucose 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). Auch werden andere Nahrungsstoffe eingelagert (z.B. Aminosäuren). Die Leber bildet schließlich 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).

Proteine werden für den Nachschub von Aminosäuren im Eiweißstoffwechsel gebraucht. Wird mehr mit der Nahrung aufgenommen als für die
Proteinsynthese nötig ist, wird der Überschuss abgebaut und zu Glycogen oder Neutralfetten verwandelt.
 
Postdigestive Phase
 
Die Postresorptionsphase (postabsorptive state, fasting state) (>Abbildung) entspricht dem Nüchtern- bzw. Hungerzustand, wie er für späte Schlaf-, längere Arbeitsphasen oder Hungerperioden typisch ist. Der Darm ist geleert und liefert keine frischen Nährstoffe nach, der Stoffwechsel muss auf Versorgung durch im Körper gespeicherte Energie umschalten und ist teilweise katabol.
 
 
<Abbildung: Stoffwechsel in der Postresorptionsphase (leerer Darm)
Nach einer Vorlage bei Hilal-Dandan / Brunton, Goodman & Gilman's Manual of Pharmacology and Therapeutics, 2nd ed., McGraw Hill Education 2014

In dieser Phase ist der Gastrointestinaltrakt nicht in der Lage, Substrate nachzuliefern - der Blutzuckerspiegel muss aus körpereigenen Speichern stabilisiert werden.
 
Im Blut findet man Nüchternwerte für Glucose und Fettsäuren. Glucose kommt nicht mehr aus dem Darm, sondern aus der Leber (Glukoneogenese).
 
Der Glucagonspiegel ist hoch, der Insulinspiegel niedrig. Das von der "Insulinbremse" befreite Fettgewebe liefert Fettsäuren. Diese können von den meisten Geweben zwecks Energiegewinnung oxidiert werden (das Gehirn ist dafür nicht eingerichtet, kann aber nach einer Enzyminduktionsphase zum Teil Ketonkörper metabolisieren)


Während Leber, Fett- und Muskelgewebe in der resorptiven Phase weitgehend unabhängig voneinander agieren, zeigen sie in der Hungerphase weitgehende Koordination, um die Energieversorgung des Körpers sicherzustellen. Der Blutzuckerspiegel muss in diesem Zustand stabilisiert werden, vor allem für das Nervensystem - gesteuert vor allem durch Glucagon, Katecholamine, Cortisol und Wachstumshormon.

Das geschieht durch Glykogenabbau in der Leber, Einsparen von Glucose vor allem in Muskel- und Fettgewebe, Freisetzung von freien Fettsäuren aus Adipozyten, Bildung von Ketonkörpern in der Leber.

Tagesrhythmus. Diese Anpassung findet täglich statt - nach einem nicht zu üppigen Nachtmahl werden die gastrointestinalen Reserven während der Schlafphase aufgebraucht, frühmorgens hat der Systemswitch auf interne Speicher bereits stattgefunden (breakfast). Liegen Mahlzeiten viele Stunden auseinander, kann es auch tagsüber zu vorübergehendem Wechsel von postprandialem zu postabsorptivem Stoffwechsel kommen.

Die Glykogenreserven sind abhängig von der vorangegangenen Ernährungsform (Diätplan). Die Leber schaltet - unter Glucagoneinfluss - in der Postresorptionsphase auf Energieversorgung des Organismus - insbesondere für die ständigen Glucoseverbraucher Gehirn, Erythrozyten und Nierenmark: Zuerst via

     Glykogenolyse (Kapazität der Glucoseproduktion ~4,5 g/h), dann
 
     Glukoneogenese (~3 g/h) - und bei längerem Substratmangel (Hungerzustand, unbehandelter Diabetes mellitus)
 
     Ketogenese (Bildung von Ketonkörpern aus Fett, s. unten).

Für den Energiestoffwechswel können - außer Glucose - Glyzerin, Fettsäuren, auch Aminosäuren herangezogen werden (kataboler Stoffwechsel). Die Metabolisierung von Fettsäuren spielt eine herausragende Rolle, fast alle Gewebe können ihren Energiebedarf aus dieser Quelle decken. Im Fettgewebe aktiviert Glucagon und inhibiert Insulin 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 Glucagon. Kurzfristig helfen weiters Adrenalin, längerfristig (über Enzyminduktion) Glucocorticoide und Schilddrüsenhormone. Durch die geringen Insulinwerte fällt die Bremswirkung auf die Lipolyse der Adipozyten weg, und das Fettgewebe liefert Fettsäuren für den Energiehaushalt.
Der Glucosebedarf beträgt im Normalfall ~5 g/kg Körpermasse pro Tag (ohne intensive körperliche Belastung - das Gehirn alleine benötigt ~130 g Glucose pro Tag), er nimmt im Hungerzustand deutlich ab, auf  ~3 g/kg Körpermasse pro Tag (~2 mg/kg/min, vor allem für das Gehirn, 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).


Die - für verschiedenste Aufgaben im Körper benötigten - Proteine (Haut, Bewegungsapparat, glatte Muskulatur, Membranproteine, Enzyme, Signalstoffe etc) tragen im Normalzustand nur wenig (unter 5%) zur Energieversorgung des Körpers bei. Im "Notfall" eines Hungerzustandes kann dieser Anteil allerdings bis zu ~15% des Ruheumsatzes betragen, indem glucoplastische Aminosäuren vermehrt zur Gluconeogenese herangezogen (und der Neusynthese von Proteinen vorenthalten) werden.
 
Hunger, Ketose, Ketonkörper
  
Perioden mangelnder (Unterernährung, undernutrition) oder fehlender Nahrungszufuhr (Hunger, starvation) werden mit Anpassung beantwortet, die in mehreren Phasen abläuft. Nach Resorption verspeister Nahrung im Darm beginnt die postabsorptive (postdigestive) Phase, etwa nach einer durchschlafenen Nacht (s. oben). Diese ist durch vermehrte Nutzung von Fettsäuren und Einsparung der Glucoseutilisation  gekennzeichnet - gesteuert in erster Linie durch einen niedrigen Insulin / Glucagon-Quotienten. Der Fettsäurespiegel im Plasma steigt von <1 mM verdoppelt sich innerhalb einiger Tage des Fastens.
 

>Abbildung: Ketogenese und Verstoffwechselung der Ketonkörper
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Zellulärer Energiemangel (bedingt z.B. durch hypokalorische Ernährung, Hungerzustand, Diabetes mellitus) regt die ß-Oxidation von Fettsäuren an und induziert die Synthese sogenannter Ketonkörper (Acetessigsäure, ß-Hydroxy-Buttersäure sowie Aceton). Diese wasserlöslichen Stoffe entstehen dann (vorwiegend in hepatischen Mitochondrien) schneller als sie im Zitratzyklus abgebaut werden können (orange gefärbte Pfeile). Sie werden "exportiert" und gelangen in den Kreislauf, wo der Ketonkörperspiegel ansteigt.
 
Acetessigsäure oder ß-Hydroxybuttersäure werden im peripheren Gewebe genutzt, indem sie zu Acetyl-CoA rückverwandelt werden, das dann in den Zitratzyklus eingeschleust wird (rote Pfeile).


Die postresorptive Phase gleitet (wenn die Glykogenreserven der Leber erschöpft sind, was innerhalb eines Tages erfolgt) in eine Glukoneogenesephase über, die für 2-3 Tage des Hungerzustandes andauert. Der sinkende Insulinspiegel erleichtert die Mobilisation von Aminosäuren (hauptsächlich Alanin und Glutamin) durch Proteolyse in der Skelettmuskulatur; auch durch Lipolyse frei werdendes Glyzerin trägt zur Glukoneogenese bei.

Aus 1,75 g Muskelprotein kann 1 g Glucose entstehen (nicht alle Aminosäuren wirken glukoplastisch). Da das Gehirn 100-120 g Glucose pro Tag konsumiert, würden rund 150 g Muskelprotein zur Deckung dieser Glucosemenge benötigt werden
(der Energiestoffwechsel des Gehirns ist weitgehend glucoseabhängig). Es muss also rasch eine Alternative für die Ernährung des Gehirns gefunden werden.

Schrittweise greifen Mechanismen zur Schonung der Eiweißreserven im Muskel: Glyzerin und Laktat werden möglichst effizient für glukoneogenetische Zwecke genützt; der Energiebedarf wird abgesenkt, u.a. durch Abnahme der Aktivität von Schilddrüsenhormonen ([T3] sinkt, [rT3] steigt an); und es werden zunehmend Ketonkörper gebildet (>Abbildung), die von glucoseabhängigen Geweben für ihren Energiestoffwechsel genutzt werden können (ketogene Phase).

Von ganz geringen Werten (<0,2 mM) steigt der Ketonkörperspiegel im Blut innerhalb weniger Tage auf einige mM und erreicht nach 2-3 Wochen des Fastens Werte um die 6-8 mM/l. In diesem prolongierten Hungerzustand bezieht das Gehirn fast 70% seiner Energie aus Ketonkörpern (und spart dadurch einen Glucoseverbrauch von 70-80 g/d ein).

Dazu werden Fettsäuren von der Leber über Acetyl-Koenzym A in Ketonkörper (ß-Oxy-Buttersäure, Acetessigsäure und Aceton ) umgebaut - ß-Oxy-Buttersäure und Acetessigsäure können für den Energiestoffwechsel genützt werden.
 
   

Ketonkörper verstärken die Insulinwirkung und hemmen dadurch den Proteinabbau im Muskel. Das hat auch eine Abnahme der renalen Stickstoffausscheidung zur Folge, diese nimmt von etwa 12-14 g/d im Laufe von 2 Wochen Nahrungskarenz auf die Hälfte ab (im Hungerzustand erfolgt keine Stickstoffzufuhr).
 
 
Ketonkörper entstehen in Mitochondrien (der Leber) und
  werden in Mitochondrien (im gesamten Körper) abgebaut.
 

Die folgenden drei Abbildungen skizzieren die metabolischen Umstellungen im länger anhaltenden Hungerzustand:
 

<Abbildung: Substratflüsse im chronischer Hungerzustand (schematisch, Zahlen gerundet)

Im Hungerzustand werden vor allem Fettsäuren (FS) für den Energiehaushalt herangezogen. Extrapolierte Zahlenwerte in g/d

  AS, Aminosäuren  Glu, Glucose  Lac/Pyr, Laktat / Pyruvat  KK, Ketonkörper


Kennzeichnend für Ketose ist ein fruchtiger Acetongeruch 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 werden bei niedrigem Glucoseangebot 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.

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

>Abbildung: Substratflüsse im längeren Hungerzustand
Nach einer Vorlage in Frayn / Evans, Human Metabolism - A Regulatory Perspective, 4th ed. Wiley Blackwell 2019

Die wichtigste Energiequelle sind Triglyzeride aus Fettgewebe, sie liefern Fettsäuren und Glyzerin.
 
Protein (vor allem aus der Muskulatur) und Glyzerin (aus dem Abbau von Neutralfetten) sind Ausgangssubstanzen für die Bildung von Glucose. Muskeln liefern vor allem Alanin und Glutamin. Ketonkörper dienen als alternative Energiequelle, sie reduzieren den Verbrauch von Glucose.
 
Gewebe (wie Nebennierenmark oder rote Blutkörperchen), die Ketonkörper nicht oxidieren können (fehlende oxidative Kapazität) und auf Glucose angewiesen sind, produzieren Laktat, das von der Leber zur Glukoneogenese wieder verwendet wird: Cori-Zyklus.
 
Die Nieren bekämpfen die drohende Azidose durch Ausscheidung von Ammoniumionen, dabei können sie aus Glutamin (das desaminisert wird) Glucose gewinnen - so können sie bis zur Hälfte der Glucoseproduktion im Hungerzustand übernehmen


Im Hungerzustand stellt das Gehirn von fast ausschließlicher Glucoseabhängigkeit auf Verwertung von Acetoacetat und ß-Hydroxybutyrat um - die entsprechende Verwertungskapazität steigt innerhalb weniger Tage des Hungerns bis zu ~20-fach an (Enzyminduktion). Ketonkörper werden vom Nervengewebe über Acetyl-CoA wieder in den Zitratzyklus eingeschleust (oxidative Energiegewinnung).

Der zerebrale Glucoseverbrauch nimmt dabei von ~120 g/d bis auf ~40 g/d ab, d.h. das Gehirn kommt mit einem Drittel des sonst üblichen Glucoseangebotes 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.

  In katabolen Stoffwechselsituationen dienen auch Aminosäuren der Energiegewinnung; die meisten sind für den Aufbau von Glucose 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 Glucose anaerob vs. ~2880 kJ/Mol Glucose aerob; Faktor ~15).
 
 
<Abbildung: Stoffwechsel im chronischen Hungerzustand
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Dauert ein Hungerzustand länger an, sinkt der Abbau körpereigenen Proteins (die Ausscheidung von Harnstoff nimmt nach einigen Wochen von 10-15 g/d auf unter 1 g/d ab). Die fallende Verfügbarkeit von Substrat (Aminosäuren) reduziert auch die hepatische Gluconeogenese.
 
Innerhalb einer Woche nehmen dafür Lipolyse (Mobilisierung freier Fettsäuren, Verdopplung ihres Plasmaspiegels) und Ketogenese stark zu (letztere auf ca. 100 g/d).

AES, Acetessigsäure -
AOP9, Aquaporin 9 - ßHB, ß-Hydroxy-Buttersäure - FA, Fettsäuren - GLUT, Glucosetransporter - G6P, Glucose-6-Phosphat - TAG, Triacylglycerol


 
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.

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

Die Speicherfunktion der Fettzellen kann über zahlreiche Rezeptoren endokrin gesteuert werden. Beispiele:
 
  Insulin
steigert die Aufnahme von Glucose und Aminosäuren in Adipozyten und fördert deren Speicherfunktion

  Wachstumshormon wirkt lipolytisch

  Angiotensin reguliert Lipidstoffwechsel, Wachstum und Differenzierung der Fettzellen

  GLP-1 verbessert die Insulinsensitivität der Fettzellen

  Glucocorticoide beeinflussen die Expression verschiedener Gene und fördern insgesamt die Fetteinlagerung

  Schilddrüsenhormone wirken in komplexer Weise auf weißes und braunes Fettgewebe und fördern die Adipogenese

  Geschlechtshormone fördern und kontrollieren den Stoffwechsel der Fettzellen

  Katecholamine und Glucagon fördern die Lipolyse

  TSH hemmt die Umwandlung von weißem zu braunem Fettgewebe.
 
Viele dieser Effekte sind situationsabhängig und beruhen auf Mechanismen sowie Wechselwirkungen, die noch Gegenstand der Forschung sind.
 
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

 
Steuernde Signale aus dem gastrointestinalen System
  
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).
 

<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


So wird immer wahrscheinlicher, dass Peptide wie Ghrelin (Magen), CCK, GLP-1 und PYY3–36 (Dünndarm) das Essverhalten und damit auch Speicherung und letztlich Körpergewicht des Menschen beeinflussen:

Ghrelin entsteht im Magen, vermehrt in Hungerphasen, und wirkt appetitanregend. Schlanke Personen haben niedrige, adipöse hohe Ghrelinspiegel. Gastrektomie senkt den Ghrelinspiegel im Blut um ~65%, was auf einen nicht unwesentlichen Beitrag anderer Entstehungsorte (Dünn- und Dickdarm, Pankreas, Nieren, Hypothalamus) hinweist.

Cholezystokinin wird von duodenalen I-Zellen bei Anwesenheit von Fetten und Peptiden freigesetzt und war das erste Peptid, von dem gezeigt werden konnte, dass es Sattheit bewirkt. Das tut es, indem es über CCK1-Rezeptoren vagale Afferenzen reizt; die Impulse gelangen zum nucleus tractus solitarii (dieser ist reziprok mit dem Hypothalamus verbunden), was Hungergefühl reduziert.

GLP-1 bremst Magenentleerung und Nahrungsaufnahme, und regt die Insulinfreisetzung an.

Das Peptid YY entsteht in L-Zellen des Jejunum (auch des Colon) und wird bei Anwesenheit von Spaltprodukten der Lipidverdauung freigesetzt. Über den Kreislauf erreicht es den Hypothalamus, hemmt dort NPY-Neurone und disinhibiert POMC-Neurone - und unterdrückt vermutlich Hungergefühl. Übergewichtige Personen haben niedrigere PYY-Spiegel als normalgewichtige.
 
Kalorimetrie: Messung des Energieverbrauchs
 

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
Nach einer Vorlage bei
Arthur C. Guyton, Function of the Human Body, W.B. Saunders Company 1959

Gemittelte, auf die Hautoberfläche (m2) normierte Werte. Maßstab wechselt bei 20 Jahren

m
= Knaben / Männer, f = Mädchen / Fra
uen


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. Als Faustregel gilt: Im submaximalen Bereich erhöht sich der O2-Verbrauch linear um 10 ml Sauerstoff pro Watt Belastungszunahme.

Über das SI-System (Präfixe und Einheiten)  s. dort
   
Der Sauerstoffverbrauch der Muskulatur steigt mit der Belastungsstärke um ~10 ml O2 je Watt
 
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.

Zum Energiestoffwechsel der Skelettmuskulatur s. dort

Bei Höchstleistung (mehr als ~50% der maximal möglichen Muskelleistung) reicht der Energiefluss aus dem Fettsäureabbau nicht aus, und der Anteil der
Glucose an der Energieversorgung des Muskels steigt auf bis zu ~75% des gesamten Energieflusses an. Diese Energiereserve reicht allerdings nur für verhältnismäßig kurze Zeit, bei Absinken des Blutzuckerspiegels kommt es zu raschem Absinken der nutzbaren Substratmenge, es stellt sich Erschöpfung ein.

 
Anpassung an körperliche Belastung und Stress
 
Unmittelbarer Energielieferant für die Muskelkontraktion ist Adenosintriphosphat (ATP). Wird der Muskel aktiviert, verbraucht sich das unmittelbar verfügbare ATP innerhalb weniger Sekunden.
 

<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), Glucose wird nur bis zur Stufe von Pyruvat / Laktat abgebaut. Dabei werden 2 Mol ATP verbraucht, 4 gewonnen (Netto-Ertrag 2 Mol ATP pro Mol Glucose).
 
Bei ausreichender Sauerstoffversorgung kann die Glykolyse über Krebs-Zyklus und Atmungskette vollständig bis Kohlendioxid erfolgen, die Energieausbeute beträgt 34 Mol ATP / Mol Glucose, ist also 17-mal höher


Die Art der zum "Nachladen" des ATP-Pools verwendeten Energiequellen hängt von der Dauer der Muskelaktivität 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 Glucoseutilisation 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 Glucose auf, was den Blutzuckerspiegel senkt: Die Aufnahme der Glucose 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!).
  
Zu Beginn einer intensiven Muskelaktivität wird ATP zur Energiegewinnung herangezogen, dann Kreatinphosphat, später Glucose, schließlich Fettsäuren
   
Zum Energiestoffwechsel während Muskelbelastung s. auch dort
 
Der Mechanismus der Glucoseverwertung 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
 
 

>Abbildung: Lebensstil und Energieversorgung physiologischer Systeme
Nach Pontzer H, Energy Constraint as a Novel Mechanism Linking Exercise and Health. Physiology 2018; 33: 384-93

Das gesamte Energieaufkommen des Organismus muss zwischen den einzelnen Energieverbrauchern aufgeteilt werden. Bei besonders hoher körperlicher Aktivität (rechts) konsumiert die Muskulatur so viel Energie, dass andere Systeme zunehmend mit einer Einschränkung ihres Energieangebotes konfrontiert werden: Die Immunabwehr wird geschwächt, das Vegetativum reagiert nur begrenzt auf stressartige Herausforderungen, Sexualfunktionen nehmen ab.
 
Letztlich kann Extremsport zu gesundheitlichen Nachteilen führen, Krankheitsneigung und Mortalität höher liegen als bei ausgewogenem (aktivem) Lebensstil


Die Muskulatur nimmt einen Anteil des Energiestoffwechsels in Anspruch, der mit zunehmender Aktivität immer mehr ansteigt. Bei weitgehend passivem Lebensstil (Tätigkeiten vorwiegend im Sitzen, Büroarbeit, in der >Abbildung links) kann das einen Betrag beanspruchen, der nur unwesentlich über dem Basisumsatz der Muskeln (15-20% des gesamten Sauerstoffverbrauchs) liegt.

Steigt die Belastung des Bewegungssystems an (sportliche Aktivität), nimmt der Energieverbrauch zu, und die gesundheitsfördernden Effekte des Trainings senken Morbidität und Mortalität (>Abbildung unten). Solange der Anteil an Sauerstoff und Substraten, der für den Metabolismus anderer Körpersysteme zur Verfügung steht, deren Bedarf ausreichend deckt, werden deren physiologische Funktionen auch zur Genüge unterstützt.

Untersuchungen legen nahe, dass hingegen bei extremer körperlicher Belastung (in der <Abbildung rechts) funktionelle Einschränkungen
Platz greifen: Verringerte Lymphozytenzahlen, Infektionsneigung, möglicherweise erhöhte Tumorneigung etc (Immunsystem), abnehmende Reaktionsstärke der hypothalamisch-hypophysär-adrenergen "Stressachse", reduzierte sexuelle Potenz.

Dies ist eines von unzähligen Beispielen für Optimierung in der Physiologie: Nicht zu viel und nicht zu wenig - auf diese Weise funktionieren die Systeme, und der Organismus insgesamt, am besten.
 
    
  Sportliche Aktivität ist gut für die Gesundheit, sie senkt Erkrankungsneigung und Sterblichkeit, man lebt länger und gesünder. Übertreibt man allerdings die Muskelbelastung (Extremsport mit hohem Energieaufwand), hat das eine mit dem Belastungsgrad zunehmende Unterversorgung der Abwehr- und Stresssysteme sowie der Sexualfunktionen zur Folge. Es überwiegen nachteilige Effekte, Morbidität und Mortalität nehmen wieder zu.



  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, Cortisol, Glucagon, 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).
 

 
      Glucosetoleranz ist die Fähigkeit, eine Glucosebelastung zu verarbeiten und den Blutzuckerspiegel zu stabilisieren. Beteiligt sind das Pankreas (Langerhans-Inseln), Gehirn, Speicherorgane (Fettgewebe, Leber), Muskulatur (diese kann den Energieverbrauch des Körpers vervielfachen): Der Insulinspiegel steigt, der Glucagonspiegel ist niedrig. Im Hungerzustand steigt der Ketonkörperspiegel von ~0.5 mM auf 2-5 mM (Ketose), Ketoazidose tritt ab ~15 mM auf
 
      In der Resorptions- (digestiven, postprandialen) Phase steigt der Spiegel an Glucose, Lipiden und Aminosäuren im Kreislauf, diese werden resorbiert und für Synthese und Speicherung herangezogen. Der Glucoseverbrauch von Gehirn (~6 g/h) und Erythrozyten (~1,5 g/h) beträgt 7-8 g/h, der Rest wird zwischengespeichert (Leber) oder für andere Zwecke genützt (Synthese von Fettsäuren, Nukleotiden..). Substratangebot, Inkretine (ein wesentlicher Teil der Glucosetoleranz: Die Insulinsekretion steigt, bevor der Glucosespiegel im Blut erhöht ist) und parasympathische Aktivität fördern die Freisetzung von Insulin
 
      Die Postresorptions- (postabsorptive, Nüchtern-) Phase ist für späte Schlaf-, längere Arbeitsphasen oder Hungerperioden charakteristisch. Der Darm ist geleert, im Körper gespeicherte Energie wird genutzt. Leber, Fett- und Muskelgewebe kooperieren, gesteuert durch Glucagon, Katecholamine, Cortisol, Wachstumshormon: Glykogenabbau und Glucoseexport (Kapazität 4-5 g/h), Glukoneogenese (~3 g/h) und Ketogenese in der Leber, Einsparung von Glucose in Fett- und Muskelgewebe, Freisetzung von freien Fettsäuren aus Adipozyten (Lipolyse). Die Metabolisierung von Fettsäuren versorgt fast alle Gewebe. Der Insulin / Glucagon-Quotient ist niedrig, kurzfristig helfen auch Adrenalin, längerfristig (über Enzyminduktion) Glucocorticoide und Schilddrüsenhormone. Der Glucosebedarf des Körpers beträgt im Normalfall ~5 g/kg/d (~350 g/d, Gehirn ~130 g/d), im Hungerzustand ~3 g/kg/d. Der Abbau von körpereigenem Protein kann in den ersten Hungertagen bis zu ~100 g/d betragen
 
      Ketonkörper entstehen in Mitochondrien (der Leber) und werden in Mitochondrien (im gesamten Körper, vor allem im Gehirn) abgebaut. Der Blutzuckerspiegel kann auch bei ausgedehnten Fastenperioden stabil bleiben (hormonelle Stabilisierung). Enzyminduktion erhöht die Verwertung von Acetoacetat und ß-Hydroxybutyrat innerhalb weniger Tage des Hungerns bis zu ~20-fach, Ketonkörper werden vom Gehirn über Acetyl-CoA in den Zitratzyklus eingeschleust, der zerebrale Glucoseverbrauch nimmt von ~120 g/d bis auf ~40 g/d ab. Ein Energiedefizit von 1000 Kalorien / Tag  führt zu einer Senkung der Fettmasse um ~1 kg pro Woche
 
      Magen und Darm beteiligen sich an der Steuerung der Insulinsekretion, Hunger / Sättigung und Nahrungsaufnahme. Ghrelin, CCK, GLP-1 und PYY3–36 beeinflussen das Essverhalten: Ghrelin wirkt appetitanregend, CCK sättigend, GLP-1 bremst Magenentleerung und Nahrungsaufnahme, PYY unterdrückt das Hungergefühl
 
      Ein Liter metabolisierter Sauerstoff liefert etwa 5 Kilokalorien (~20 kJ) an Energie (metabolisches Äquivalent: Prinzip der indirekten Kalorimetrie). Der Energieumsatz heißt je nach Begleitumständen Grundumsatz - Energieumsatz im Nüchternzustand, bei körperlicher Ruhe und Indifferenztemperatur (abhängig von Hautoberfläche, Schilddrüsenfunktion, Alter und Geschlecht); Ruheumsatz - Energieumsatz ohne körperliche Belastung; Leistungs- oder Arbeitsumsatz - bei körperlicher Belastung. Ein Ruheumsatz von etwa ~6 kJ/min entspricht einem Sauerstoffverbrauch von 0,3 l/ min. Der maximale Leistungsumsatz beträgt bis ~100 kJ/min (je nach Trainingszustand), entsprechend ~1700 Watt Leistung; dazu werden ~5 Liter Sauerstoff pro Minute benötigt. Bei Höchstleistung (mehr als ~50% des maximalen Leistungsumsatzes) ist der Energiefluss aus dem Fettsäureabbau überfordert, der Anteil der Glucose an der Energieversorgung des Muskels steigt auf bis zu ~75% an, bei Absinken des Blutzuckerspiegels stellt sich Erschöpfung ein
 
      ATP ist der unmittelbare Energielieferant für die Muskelkontraktion, der Vorrat reicht für einige Sekunden. Ein kurzfristig verfügbarer Speicher ist Kreatinphosphat (<1 min). Zuerst wird ATP zur Energiegewinnung herangezogen, dann Kreatinphosphat, dann Glucose, schließlich Fettsäuren. Muskelglykogen macht bis zu 3% der Zellmasse aus; beim Abbau von Glucose zu Pyruvat / Laktat werden 2 Mol ATP pro Mol Glucose gewonnen (anaerobe Glykolyse ist nach Sekunden aktiv), beim Abbau über den Zitratzyklus (aerob) 34 Mol ATP / Mol Glucose (17-mal mehr). Ungenügende Sauerstoffzufuhr führt rasch zu Übersäuerung (Laktazidose). Glucoseverwertung dominiert bis über eine Stunde intensiver Muskelarbeit (maximal ~3 Stunden bei kohlenhydratreicher Kost), dann sind die Glykogenreserven des Muskels erschöpft. Gut eine Viertelstunde nach Beginn der Aktivität dominiert der Fettsäureabbau, für Ausdauerbelastung übernimmt dieser Mechanismus dann die ATP-Synthese
 

 

Eine Reise durch die Physiologie


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